紅外線波長(zhǎng)范圍是0.78μm到100μm。然而,紅外輻射自目標(biāo)發(fā)射出來,總是要在大氣中傳播一段距離才能到達(dá)觀測(cè)儀器,除幾何發(fā)散外,紅外輻射在大氣中傳播會(huì)有很大衰減,主要因素是大氣中各種氣體對(duì)輻射的吸收。
組成大氣的主要?dú)怏w是氮?dú)?氧氣.氬氣,它們占99%以上。有幸的是，它們不吸收15μm以下的紅外線,否測(cè)紅外技術(shù)在野外就無法使用。能引起紅外吸收的氣體是水汽,二氧化碳,臭氧(O3),它們?cè)诓煌ǘ吾槍?duì)紅外線形成吸收帶，再加上甲烷,一氧化碳等吸收作用,造成了紅外輻射的衰減。通過1μm到15μm的紅外輻射通過一海里長(zhǎng)度的大氣透射比試驗(yàn),證明只有處于紅外吸收帶之間的紅外輻射能夠透過大氣向遠(yuǎn)處傳輸,其中有三個(gè)透過大氣的紅外波段，1-2.5μm,3-5μm,8-13μm，這三個(gè)波段被稱作”大氣窗口”，紅外測(cè)溫系統(tǒng)常常在這三個(gè)窗口內(nèi)工作.
3-5μm,8-13μm兩個(gè)波段的范圍都有不同特性的控制可選用。這兩個(gè)波段分別稱為”短波”和”長(zhǎng)波”窗口。從原理上計(jì),這兩個(gè)窗口都敏感,但大多數(shù)設(shè)計(jì)者都選擇了短波段,原因是該波段范圍中,能在較寬的范圍內(nèi)提供功能,達(dá)到良好的測(cè)溫要求;而長(zhǎng)波窗口則更多地用于低溫及遠(yuǎn)距離的檢查(AGENA570就有此功能)。
只有對(duì)熱成像系統(tǒng)的原理及構(gòu)成有了一定的了解后,才能實(shí)現(xiàn)對(duì)熱像儀的正確操作,從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量。
由于熱像儀測(cè)溫是利用探測(cè)器輸出的視頻信號(hào)進(jìn)行處理后得出的，根據(jù)公式:
Us∝(wσT5/π)∫ ε(λT)τα(λ)R(λ)dλ
式中:Us---探測(cè)器輸出視頻信號(hào)的幅度
λ1,λ2---熱像儀工作波長(zhǎng)范圍
w---熱像儀瞬時(shí)視場(chǎng)角.
σ---輻射常數(shù)
T ---被測(cè)目標(biāo)溫度
ε(λT)---被測(cè)目標(biāo)光譜輻射率
τα(λ)---大氣透過率
R(λ)---熱像儀總光譜響應(yīng)
可見,測(cè)溫精度與很多因素有關(guān),如目標(biāo)特性,熱像儀特性,測(cè)量距離等。
為了實(shí)現(xiàn)所需的溫度測(cè)量和便于操作,目前使用的大多數(shù)熱像儀(如PM290)已在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了以下三方面的精度補(bǔ)償:
(1)熱像儀內(nèi)部的飄移和增溢補(bǔ)償.
(2)不同操作溫度下的補(bǔ)償.如夏天和冬天.
(3)鏡頭視場(chǎng)外的輻射補(bǔ)償.
其它如發(fā)射率,環(huán)境溫度,距離,濕度等*基本的參數(shù)則要求用戶根據(jù)實(shí)際情況自行設(shè)置,以保證測(cè)溫精度的可靠性。
下面我們以美國(guó)紅外測(cè)量公司(Inframetrics)**的PM290型紅外熱像儀為例,來說明在實(shí)際監(jiān)測(cè)過程中,如何做到測(cè)量。
開機(jī)后,在設(shè)置菜單1中,可見到以下幾項(xiàng)要求用戶進(jìn)行設(shè)置的項(xiàng)目.
a被測(cè)目標(biāo)發(fā)射率
b背景溫度
c環(huán)境溫度
d濕度
e距離
因此，實(shí)際測(cè)溫過程中的影響因素主要有以下四方面.
A輻射系數(shù)的影響
B背景噪聲
C光路上的吸收與散射
D紅外測(cè)溫儀的穩(wěn)定性
上述因素的影響程度隨測(cè)量條件的不同而變化,為了保證測(cè)量的可靠性,必須盡可能準(zhǔn)確地進(jìn)行校準(zhǔn),也就是說,要想得到的溫度值,檢測(cè)人員必須盡可能在系統(tǒng)設(shè)置項(xiàng)中準(zhǔn)確地設(shè)定各參數(shù)的值。
2. 1發(fā)射率
不同的物體輻射能力不同,理想黑體具有的輻射能力,而其它物體輻射能力的衡量引入了一個(gè)參量,即光譜發(fā)射率ε ,又稱輻射系數(shù)。 ε系指在相同溫度及條件下,實(shí)際輻射體與黑體的輻出度之比值。
發(fā)射率表明了輻射和吸收的能力,它是材料的固有性質(zhì).測(cè)溫時(shí)選用ε值的大小直接影響測(cè)溫結(jié)果。然而,它隨表面條件、形狀、波長(zhǎng)和溫度等因素的影響而變化，為了測(cè)量真實(shí)溫度，需要的設(shè)定發(fā)射率值。以下四幅圖是用PM290拍攝的盛有熱水的紅外熱像圖。相鄰熱像圖之間的拍攝間隔為2秒，因此，因時(shí)間造成的誤差可以忽略。根據(jù)有關(guān)手冊(cè)查得玻璃在20℃~100℃時(shí)的發(fā)射率為0.94~0.91,試驗(yàn)取值為0.92.拍攝時(shí)其它條件不變，僅改變ε的取值:
許多文獻(xiàn)著作中都有物理常數(shù)表，但由于ε是隨測(cè)量條件不同而變化的，因而在使用這些數(shù)據(jù)前必須檢查測(cè)量條件，包括材料的材質(zhì)，材料的溫度，表面的狀況等。值得一提的是，在檢測(cè)外壁上涂有除腐涂層的容器時(shí)，一定要注意涂層是否有脫落，減薄，不均等現(xiàn)象，因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)位置的錯(cuò)誤很可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的溫度數(shù)據(jù)，所以在現(xiàn)場(chǎng)要靈活運(yùn)用，綜合分析。
B使用涂料或已知發(fā)射率的物質(zhì)，置于被測(cè)物體表面，通過加熱的方法使其與被測(cè)物體達(dá)到熱均衡，各處溫度一致，用輻射溫度計(jì)測(cè)量其溫度和被測(cè)物體表面溫度，取二者輻射能的比率來測(cè)定發(fā)射率。
C將被測(cè)物(或與被測(cè)物相同的材料)放入載有黑體的加熱器中，加熱試樣使其達(dá)到黑體溫度，求出試樣與黑體輻射能力的比率，從而測(cè)定被測(cè)物的發(fā)射率。
2.2背景噪聲
利用紅外輻射測(cè)溫，由于信號(hào)非常小，低于常溫的測(cè)量將受背景噪聲的影響，在室外，陽光的直接輻射，折射和空間散射線是主要的背景噪聲。室內(nèi)測(cè)量時(shí)，來自待測(cè)物體周圍的反射光有時(shí)極大地影響測(cè)量結(jié)果，因此在測(cè)溫時(shí)必須考慮上述影響因素，采取的基本對(duì)策如下:
2.2.1準(zhǔn)確對(duì)焦距，避免非待測(cè)物體的輻射能進(jìn)入測(cè)試角。
2.2.2在待測(cè)物體附近設(shè)置屏避物，以排除外界干擾。
2.2.3室外測(cè)量時(shí)，選擇有云天氣或晚上以排除日光的影響
2.2.4物體發(fā)射率低，光反射的影響越大，因而應(yīng)采用發(fā)射率高的涂料或制小孔等方法來提高發(fā)射率。
2.3光路上的吸收
空氣中某些物質(zhì)，如H2O，CO2，O3，CO N2O CH2等均吸收紅外線。根據(jù)實(shí)際的工作環(huán)境及儀器自身的適應(yīng)性，PM290型熱像儀在設(shè)置中，主要考慮的是水蒸汽對(duì)測(cè)溫精度的影響。
除此以外，我們?cè)趯?shí)際檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)力狀況也影響到測(cè)溫的精度，為此，我們查閱了一些相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)瑞典國(guó)家電力局早已為此經(jīng)過了多次實(shí)驗(yàn)并定義了下面的公式作為風(fēng)力影響的修正:
T01=T02 × (V1/V2)=T02 ×√V1/V2
T01―――在風(fēng)速V1下的過熱溫度
T02―――在風(fēng)速V2下的過熱測(cè)度
該公式適用于室外的強(qiáng)制對(duì)流(風(fēng)正面吹向物體)條件。例如:風(fēng)速V1=4m/s時(shí)測(cè)得過熱溫度為T01=10℃，那么在風(fēng)速V2=1m/s的條件下，過熱溫度T02可得為:
T02=10×√4/1=20℃
2.4熱像儀的穩(wěn)定性
與其它儀器不同的是，紅外熱像儀在很大程度上受環(huán)境溫度的影響，實(shí)際上待測(cè)溫度低于常溫時(shí)，環(huán)境溫度變化的影響甚至大于信號(hào)的變化，這是由于紅外透鏡自身存在一些??可避免的影響因素，盡管儀器設(shè)計(jì)中考慮了某種補(bǔ)償措施，但使儀器的使用溫度維持在恒定的溫度，當(dāng)環(huán)境溫度高于規(guī)定值時(shí)，必須冷卻儀器。
