红外热成像检测技术(3.3~3.5)

27
第二代 80年代，探测器由单元或线列走向了面 阵，红外热成像系统发展成为红外焦平面阵 列。 将红外焦平面阵列器件应用到红外成像 中，出现了致冷型固体红外摄象机，它不需 要光机扫描，通常称该技术为第二代红外技 术。
与第一代相比，它改善了分辨率和速度，大大提 高了红外成象技术的水平，扩大了应用领域。
3.3 红外无损检测的原理
一、红外热辐射基本定律： 1.基尔霍夫定律 2.普朗克定律 3.维恩定律 4.斯蒂芬－玻耳兹曼定律
1
基尔霍夫定律 同温度物体的红外发射能 力正比于其红外吸收能力；红 外平衡状态时，物体吸收的红 外能量恒等于它所发射的红外 能量。 推论：性能好的反射体或透明体， 必然是性能差的辐射体。
光子探测器为对波长有选择响应的探测器：
1~2.5μm PbS（硫化铅） 3~5μm PbSe（硒化铅） InSb（锑化铟） MCT（碲镉汞HgCdTe） PtSi(硅化铂) QWIP（量子阱）
8~14μm Ge:Hg(锗掺汞) PbSnTe(碲锡铅) MCT(碲镉汞) QWIP(量子阱)
34
• 热探测器
目标物体发 出红外辐射
红 外 光 学 系 统
非 致 冷 焦 平 面 阵 列
温度参考 信号 A/D转 换器
数 字 信 号 处 理 器
Video视频 模拟输出
逻辑时 序控制
USB接口数 字输出
非制冷红外成像框图
红外辐射到视频信号的形成原理： 红外热像仪成像时，目标物体的某个 单位面积与图像的某一像素相对应，像 素的灰度值就是热像仪输出的视频信号 幅度US经过放大、量化后得到的电压。
第二代 存在两个缺点：
– 制冷：需要工作在液氮温度(77K，即：196℃)。
– 价格昂贵：致冷型长波红外焦平面热像仪每 台在10万美元以上，民用应用仍受到限制。
以二维 NM 元焦平面阵列 (FPA) 探测器为特征，自带 信号读出电路，仍需要制冷，价格在万元以上。
第三代 九十年代中期，美国发明了可在室温环 境下工作的固体红外焦平面阵列，它完全克 服了前两种红外技术的缺点，可以工作在室 温，无需致冷，所以无任何机械运动部件， 如：斯特林致冷机和斩波调制等。 这种器件应用到红外成像中，出现了非 致冷型红外摄像仪。这种热像仪不仅在军事 上得到了广泛的应用，而且还广泛应用到很 多民用行业中。
W T
4
可见，物体的温度越高，红外辐射能量越多。
6
二、红外检测原理 1.可行性 （1）物体辐射 自然界温度高于绝对0度（－273°C）的 物体，表面不断地辐射红外线。 红外线是电磁波，波长范围：0.78～1000um
7
（2）红外热成像仪
将物体的红外辐射聚焦到 红外探测器上，红外探测器再 将强弱不等的辐射信号转换成相应的电信号，然后经过放大 和视频处理，形成可供人眼观察的视频图像。 红外热成像系统将物体发射的红外辐射（即表面温度场） 转变为人眼可见的热图像，从而使人眼的视觉范围扩展到不 可见的红外区。
31
• 光子型探测器
光子探测器是利用了材料的内光电效应，红外 光子直接把材料束缚态电子激发成传导电子，参 与导电，实现了光电转换。电信号大小与吸收的 光子数量成比例。 按电信号输出的不同原理，光子探测器又分为 光电导、光伏、光磁电探测器。
光电导探测器是当红外辐射照射到探测器上 之后，引起它的电阻发生变化，从而可探测出入射 辐射的强弱。这种探测器有时也称为光敏电阻。器 件有PbS、PbSe、Ge:Hg、InSb、MCT等。
3
维恩位移定律
物体的红外辐射能量密度大小，随波长 （频率）不同而变化。与辐射能量密度最大 峰值相对应的波长为峰值波长，维恩通过大 量实验得出了峰值波长和物体热力学温度之 间的关系：
max 2897 / T
max 波长的单位是um，T是物体的绝对温度，单位是K。
4
物体名称 温度/K 太阳 融化的铁 11000 1803 1173
20
3.主动检测原理 如果向一个试件注入热量，其中一部分 热流必然向内部扩散，并引起试样表面的温 度分布的变化。
21
对于无缺陷的物体，均匀注入热流，热量能够均匀 的向内部扩散或从表面扩散，因而表面的温度场分 布也是均匀的。
均质体反射法（单面法）
均质体透射法（双面法）
22
若试样内部存在缺陷时，就会在试样有缺陷区和无缺陷区形成温差。 当物体内部含有导热性缺陷时，反射法试样表面就会出现温度较低 的局部冷区；透射法出现局部热区。
温度参考 当信号以视频信号输出时，每一个局部称做一个像元 。 非 红 外 光 学 系 统 致 冷 焦 平 面 阵 列 信号 数 字 信 号 处 理 器
目标物体发 出红外辐射
A/D转 换器
逻辑时 序控制
非制冷红外成像框图
数字信号处理器主要是进行的是非线性校正等。
(a)校正前 (b)校正后 实际图像校正前后对比
瑞典AGA公司的红外热像仪 六十年代初，瑞典AGA公司研制成功第 二代红外成像系统，它在红外前视系统的基 础上增加了测温功能，被称为红外热像仪。 投入应用的热成像系统可在黑夜或浓雾中探 测对方的目标。 开始由于保密的原因，在发达国家也仅 限于军用，因为是应用于军事领域，热成像 系统的研制开发费用很大，仪器成本很高。 后来考虑到工业生产中的实用性，开始降低 造价，以适应民用市场要求。
非制冷红外探测器
4. 红外成像系统的发展
美国德克萨斯仪器公司的红外前视系统(FLIR) 二战后，首先由美国德克萨斯仪器公司(TI)研 制成功第一台用于军事领域的红外热成像装置 (FLIR)。 它利用光学机械系统对被测目标的红外辐射 扫描，由单元光子探测器接收二维红外辐射，经 过光电转换及一系列信号处理，形成视频图像信 号。 该系统的原始形式是非实时的自动温度分布 记录仪，随着锑化铟和锗化汞光子探测器的发展， 才成为高速扫描和实时显示目标热图像的系统。
传感器被入射的红外辐射加热 温度变化的测量可由下列方式得到 • 电阻变化（测辐射热计） • 热电结（TE传感器） • 热释电效应 • 油膜蒸发（蒸发图案） • 半导体吸收边缘移动 • 热弹性效应 • 液晶色变 • 气体压力改变（高利元件）
非制冷红外探测器
制冷型红外的缺陷——成本高、寿命短 20世纪70年代末，美、英军方制定秘密计划： 发展非制冷焦平面， 目的是发展出用户买得起和用得起的热成像仪。 ULIS——Uncooled Low-cost Infrared Sensor
2
普朗克定律
描述了黑体辐射的光谱分布规律，是黑 体辐射的理论基础。
式中 Wλ为黑体的光谱辐射出射度，W/(m2•um)； λ为辐射电磁波的波长，um; k为玻尔兹曼常数，1.38*10-23W•s•K； h为普朗克常数，6.6262*10-34J•s； T为黑体热力学温度，K； C为光速，3*108m/s。
非均质体反射法（单面法）
非均质体透射法（双面法）
23
当物体内部存在隔热性缺陷时，热流会在缺陷处受阻，反射 法造成热量堆积，导致表面出现温度高的局部热区；透射法 出现局部冷区。
24
4.红外无损检测特点 ①适用面广，可用于所有金属和非金属材料。 ②速度快，每个测量只需几十秒钟。 ③观测面积大，根据被测对象和光学系统，一次 测量可覆盖至平方米量级。针对大型检测对象还 可对结果进行自动拼图处理。 ④直观，测量结果用图像显示、 直观易懂。 ⑤定量，可以直接测量到缺陷深度、 厚度，并 能作表面下的识别。 ⑥单向非接触，加热和探测在被检试件同侧，且 通常情况下不污染也不需接触试件。 ⑦设备可移动、探头轻便，十分适合外场、现场 应用和在线、在役检测。
目标
红外光学系统
红外探测器
显示器
图像信号处理 与显示
探测器读出电路
8
红外探测器输出的图像通常称为“热图像”，由于不 同物体甚至同一物体不同部位辐射能力和它们对红外线 的反射强弱不同。利用物体与背景环境的辐射差异以及 物体本身各部分辐射的差异，热图像能够呈现物体各部 分的辐射起伏，从而能显示出物体的特征。 同一目标的热图像和可见光图像是不同，它不是人 眼所能看到的可见光图像，而是目标表面温度分布图像， 或者说，红外热图像是人眼不能直接看到目标的表面温 度分布，变成人眼可以看到的代表目标表面温度分布的 热图像。
光伏探测器是利用了半导体p-n结的特性，当 它受到红外辐射的照射以后，载流子(即带负电的 电子和带正电的空穴)被p-n 结所分开，在p-n 结两 端建立起一个电场，这个电场的大小就表示了入射 红外辐射的强弱。器件如InSb、MCT、TeSnPb、 PtSi等。 光磁电探测器由于需要在探测器芯片上要外 加磁场，结构复杂，不常使用，器件有InSb、 MCT等。 33
（1）主动检测（有源检测） 采用某种加热方式来激励内部缺陷，使 试件表面形成反映这些缺陷存在的温差，采 用热像仪进行红外热成像实现对物体缺陷的 检测，这种检测形式称为主动式红外无损检 测。 在热激励工件的同时或在激励经过一段 时间延迟后测量工件表面的温度分布。
17
• 反射检测（单面检测）
18
• 透射检测（双面检测）
高精度的温度控制 器可以成功抑制由 于温度微小变化而 引起的工作波动。
红 外 光 标物体发 出红外辐射
非 致 冷 焦 平 面 阵 列
温度参考 信号 A/D转 换器
数 字 信 号 处 理 器
Video视频 模拟输出
逻辑时 序控制
USB接口数 字输出
非制冷红外成像框图
2.检测方式
25
3.4 红外热像仪
一、红外探测器
探测器是红外热像仪的心脏， 它将红外辐射转变为电信号。 1.红外探测器的早期研究
研究主要集中在近红外（1-2.5um） 非完全被动，需借助星光 四十年代出现军用微光夜视仪（美国）
26
2.红外探测器的发展
根据目前红外热成像系统的发展情况及对今后的 预测，红外热成像系统大致可分为三代： 第一代 指六十年代采用的致冷型单元或线列红外探测器， 以数目有限的探测单元为特征，借助光机扫描实现图 像探测，同时还需要低温制冷器协同工作，如： HgCdTe、InSb、PbS等红外探测器，其产品成本高。 第一代红外技术分辨率和速度都受到限制，而且 价格十分昂贵，应用范围仅局限于军事。