BE-5302 紅外顯像測溫儀的設計原理

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紅外顯像測溫儀，又稱為紅外線熱影像儀、熱成像儀、熱顯像儀、紅外顯像攝影機、熱成像攝影機等。紅外顯像測溫儀是一種檢測對象物體發出的紅外線輻射能量，並將能量轉換成溫度後以圖像形式顯示其溫度分佈情況的裝置。紅外顯像測溫儀能夠撲捉拍攝對象物體面的溫度分佈，並且轉換為熱圖像顯示出來。紅外顯像測溫儀能夠從一定距離之外以非接觸方式測量物體的溫度。紅外顯像測溫儀能夠及時進行溫度測量。紅外顯像測溫儀的優點有能夠針對大範圍內的表面溫度分佈進行相對比較，便於對運動中的物體或是有危險而無法靠近的物體進行溫度測量，能夠精確測量微小物體的溫度，能夠在確保衛生的情況下對食品、藥品、化學品等進行溫度測量，能夠對溫度變化劇烈的物體和瞬間現象進行溫度測量。

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所有溫度在 -273℃ 絕對零度以上的物體，都會因自身的分子運動而產生紅外線輻射熱。紅外顯像測溫儀能將這些人眼無法看到的輻射能量轉換為電訊號，並以各種不同的顏色來顯示出不同溫度的分佈，使整個溫度分布狀態以可視圖像顯示出來。透過圖像，可以迅速便捷的檢測整個溫度面，並辨識高低溫度點，進行溫度的定性與定量分析，如有溫度異常則預示著可能有故障的產生，使檢測工作精準、簡單快捷。紅外熱像儀測溫基於被測物體的紅外熱輻射，它能在一定寬溫域做不接觸、無害、即時、連續的溫度測量。被測物體的溫度分佈形成肉眼看不見的紅外熱能輻射，經紅外熱像儀轉化為電視圖像或照片。光學系統收集輻射線，經濾波處理後將景物圖形聚集在探測器上，光學機械掃描包括兩個掃描鏡組，一個是垂直掃描，另一個是水平掃描。掃描器位於光學系統和探測器之間，當鏡子擺動時，從物體到達探測器的光束也隨之移動，形成物點與物象互相對應。然後探測器將光學系統逐點掃描所依次搜集的景物溫度空間分佈資訊，變為按時序排列的電信號，經過信號處理後，由顯示器顯示出可見圖像—物體溫度的空間分佈情況。

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熱的傳遞方式有三種，包括熱輻射、熱對流與熱傳導。熱輻射即紅外線，以紅外線能量直接從物體表面輻射出來。熱對流是受熱後的氣體或液體通過上昇運動來傳遞熱量。熱傳導主要是固體之間的熱傳遞方式。

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紅外線 (Infrared，簡稱 IR) 是波長介乎微波與可見光之間的電磁波，其波長在 760 奈米(nm) 至 1 毫米(mm) 之間，是波長比紅光長的非可見光，對應頻率約是在 430THz 到 300GHz 的範圍內。室溫下物體所發出的熱輻射多都在此波段。

物體通常會輻射出跨越不同波長的紅外線，但是偵測器的設計通常只能接收感到興趣的特定頻譜寬度以內的輻射。結果是，紅外線通常會被區分成不同波長的較小區段。一般分類是近紅外線、短波長紅外線、中波長紅外線、長波長紅外線、遠紅外線。

近紅外線 (NIR, IR-A DIN)：波長在 0.75 ~ 1.4 微米，以水的吸收來定義，由於在二氧化矽玻璃中的低衰減率，通常使用在光纖通信中。在這個區域的波長對影像的增強非常敏銳。包括夜視設備，像是夜視鏡即使用近紅外線。

短波長紅外線 (SWIR, IR-B DIN)：1.4 ~ 3 微米，水的吸收在 1,450 奈米顯著的增加。1,530 至 1,560 奈米是主導遠距離通信的主要光譜區域。

中波長紅外線 (MWIR, IR-C DIN) 也稱為中紅外線：波長在 3 ~ 8 微米。被動式的紅外線追熱導向飛彈技術在設計上就是使用 3 ~ 5 微米波段的大氣窗口來工作，對飛機紅外線標識的歸航，通常是針對飛機引擎排放的羽流。

長波長紅外線 (LWIR, IR-C DIN)：8 ~ 15 微米，這是紅外顯像測溫儀應用熱成像的區域，在這個波段的感測器不需要其他的光或外部熱源，例如太陽、月球或紅外燈，就可以獲得完整的熱排放量的被動影像。紅外顯像測溫儀系統使用這個區域的頻譜，但有時也會被歸類為遠紅外線。

遠紅外線 (FIR)：50 ~ 1,000 微米，常應用於遠紅外線雷射。

自然界中，一切物體都可以輻射紅外線，因此利用紅外顯像測溫儀測量目標本身與背景間的紅外線差可以得到不同的熱紅外線形成的紅外圖像。

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目標的熱圖像和目標的可見光圖像不同，它不是人眼所能看到的可見光圖像，而是表面溫度分布圖像。紅外熱成像使人眼不能直接看到表面溫度分布，變成可以看到的代表目標表面溫度分布的熱圖像。所有溫度在絕對零度(-273℃)以上的物體，都會不停地發出熱紅外線。紅外線是自然界中存在最為廣泛的輻射，物體的熱輻射能量的大小，直接和物體表面的溫度相關。熱輻射的這個特點使人們可以利用它來對物體進行無需接觸的溫度測量和熱狀態分析，從而為工業生產，節約能源，保護環境等方面提供了一個重要的檢測手段和診斷工具。大氣、煙雲等吸收可見光和近紅外線，但是對 3~5μm(微米) 和 8~14μm(微米) 的熱紅外線卻是透明的。因此，這兩個波段被稱為熱紅外線的大氣窗口。利用這兩個窗口，使人們在完全無光的夜晚，或是在煙雲密布的戰場，清晰地觀察到前方的情況。由於這個特點，熱紅外成像技術在現代軍事上提供了先進的夜視裝備，並為士兵、飛機、艦艇和坦克裝上了全天候前視系統。這些系統在現代戰爭中發揮了非常重要的作用。

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紅外顯像測溫儀不會發射出任何射線，單純只是以被動方式檢測待側物體發射出的紅外線，但有時可能會受到周圍環境反射的紅外線所影響。紅外顯像測溫儀並非通過波長來測量物體的溫度分佈，而是根據紅外線釋放出的能量多寡來測量物體表面的溫度分佈。紅外顯像測溫儀能否透過物體表面而看到其背面的情況？由於檢測到的是從物體表面發出的紅外線，因此無法透過物體表面看到其背面的情況，但是如果因為導熱率不同而令物體表面出現不同的溫度分佈，則可以據此而推測出物體背面的情況。

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紅外熱成像儀有光子探測和熱探測兩種不同的原理。前者主要是利用光子在半導體材料上產生的電效應進行成像，敏感度高，但探測器本身的溫度會對其產生影響，因而需要降溫。後者將光線引發的熱量轉換為電信號，敏感度不如前者，但無需製冷，本公司的紅外顯像測溫儀就是屬於後者。除此之外，還根據熱成像儀的工作波段、所使用的感光材料進行分類。常見熱成像儀工作在 3 ~ 5 μm(微米)或 8 ~ 12μm(微米)，常用感光材料則有硫化鉛、硒化鉛、碲化銦、碲錫鉛、碲鎘汞、摻雜鍺和摻雜矽等。根據感光元件數量和運動方式，則有機械掃描、凝視成像型等。紅外光譜的波段位於可見光以外，比紅色波長更長。紅外線熱像儀是通過非接觸探測紅外能量(熱量)，並將其轉換為電信號，進而在顯示器上生成熱圖像和顯示溫度值，並可以對溫度值進行計算的一種檢測設備。紅外線熱像儀能夠將感測到的熱量精確量化或進行測量，使您不僅能夠觀察熱圖像，還能針對發熱的故障區域進行準確識別和分析。紅外熱成像技術是一項前途廣闊的高新技術。

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紅外熱成像儀的結構包括紅外光學系統、紅外探測器組件、電信號處理、顯示組件以及支持整個結構運行的軟體系統。紅外光學系統接收到被測物體發射出來的紅外輻射後，通過紅外探測組件，將這些熱輻射轉變成電信號，電信號經過一系列處理，然後變成可以被識別的圖像。

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我們日常中能夠接觸到的大多數紅外熱成像儀都是非製冷式熱成像儀，在機器工作的時候，不需要進行低溫製冷，所使用的紅外探測器組件主要是法系的多晶矽和美系的氧化釩這兩種探測器，從使用表現看，氧化釩成像比多晶矽要更好一些，這是因為氧化釩對於紅外輻射的光電轉換效率更高，所以會有更高的信噪比，表現出來的畫面也會更細膩。

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從功能角度來說，紅外熱成像儀分為測溫型和非測溫型兩種。測溫型能直接從熱圖像中讀取被測物體表面的任意點溫度參數，而非測溫型只能觀測被測物體表面的熱輻射差異，這兩種分類中，測溫型主要作為無損監測儀器使用，非測溫型主要作為觀測工具使用，兩者的有效距離是不一樣的。

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紅外顯像測溫儀具備多樣特色，其中包括能夠捕捉拍攝對象物體面的溫度分佈，並且轉換為熱照片顯示出來，紅外線熱像儀能夠從一定距離之外以非接觸方式測量物體的溫度，熱成像儀能夠及時進行溫度測量。

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紅外顯像測溫儀又稱紅外線熱像儀、熱成像儀、熱顯像攝影機、紅外顯像測溫攝影機，紅外線熱像儀擁有許多優點，像是能夠針對大範圍內的表面溫度分佈進行取溫度值與相對比較，紅外線熱像儀能夠在確保衛生的情況下，以非接觸方式對食品、藥品、化學品等進行溫度量測，紅外顯像測溫攝影機對運動中的物體或是有危險而無法靠近的物體可以進行溫度測量，熱成像儀能夠精確量測微小或細微物體的表面溫度，熱顯像攝影機能夠對溫度變化劇烈的物體和瞬間發生的現象進行溫度量測。

對比起其他的一些檢測設備來說，紅外熱成像儀的優點還是比較多的，比如非接觸性測量，具有很高的安全性；測量靈敏度高測溫範圍大；不會對被測物體產生溫度場的干擾；可以對運動物體進行快速測溫。當然，缺點也比較明顯，受制於成本因素，大多數紅外熱成像儀的圖像解析度相對來說比較低；除了特殊的紅外玻璃外，無法穿透普通玻璃進行測量。

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對於紅外熱成像儀，我們大概可以主要關注一下這麼幾個參數：熱靈敏度：簡單理解為我們能從背景中精確分辨出被測物目標輻射的最小溫度，熱靈敏度值越小，代表熱靈敏度越高，另外熱靈敏度越高，畫面越亮。溫度解析度：溫度解析度是指探測器對被測物體溫度變化感應的靈敏程度，溫度解析度越小越好。測溫準確度：這是指在環境、溫度、濕度、距離、輻射率校正的情況下，紅外熱像儀測溫的最大誤差與儀器量程之比的百分數。測溫範圍：是指測定溫度的最低限與最高限的溫度值的範圍。探測器解析度：紅外探測器加工出陣列排布的感測器單元數量。

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熱成像是一種高效能、非破壞性的溫度檢測，現普遍應用於工業界電力與儀表設備的維護保養檢測。熱成像是一種非接觸式技術，它可以測量紅外波長，以便從一個安全距離測量溫度。熱成像儀可以顯示一個以各種顏色來表示不同溫度的圖像。透過該圖像，可以快速、簡便地檢查表面溫度並識別高 、低溫點。高低溫點或溫度的變化預示著即將有故障發生。普通人的感官包括眼（視覺）、耳（聽覺）、鼻（嗅覺）、舌（味覺）、肌膚（觸覺）這五感，紅外熱成像是新第六感，通過智能成像和感測器解決方案提高人類感知力，從而構建更可持續、更安全、更高效的未來，科技的發展，未來應用可期。