红外测温技术的进展及其应用

　　1　前言

　　红外线是介于可见光红端与微波之间的电磁辐射。在这个波长带内,又进一步分为近红外(波长0.75μm～3μm)、中红外(波长3μm～6μm)、远红外(波长6μm～15μm)和极远红外(波长15μm～1000μm)四个波段。近红外波段在光纤通讯、资源探测中大量应用;中、远红外波段是目前使用最多的波段,在探测大气中许多气体和污染物方面、在执法和保安、红外摄像、夜视镜方面、在国防和空间探索方面,甚至在电梯门、各种电视机、空调机的遥控器、便携式红外温度计、公共卫生间的自动水龙头等都有应用。作为工业上的主要用途,分为利用红外线的能量和利用红外线的感应两类:利用能量方面是通过红外线辐射源的辐射使被照物体吸收红外线进行加热和干燥,多以远红外线居多。利用红外线的感应方面,又分为无源红外线测量和有源红外线测量。无源是对应于物体的某个温度辐射红外线并对它进行检测。这个无源红外线测量技术其波长是从3μm到14μm的中、远红外线波段。有源是将被检物体自身的红外线辐射源一并应用的红外线测量技术,它是通过被检物体上反射回来的红外线进行测量。一般所使用的红外线照相机是属于有源红外线测量。本文所介绍的是感应式有源和无源红外线测量技术在无损检测方面的应用。极远红外波段的应用尚在研究阶段。

　　2　红外线温度自动记录器的发展动向

　　2.1　红外线温度自动记录器的进步

　　初期的红外线测温自动记录是采用机械扫查,采用单个的或少数的红外线检出单元,通过两个平面镜的摆动或多角棱镜的旋转实现被检区的扫查,构成温度分布图像(热成像)。选择高性能的红外线检出器,能达到温度分辨率0.1°C的程度。但是通过这种机械的XY平面扫查所构成的图像,在热图中红外线检测的同时性较低,随着时间的变动,对温度场的检测、对移动物体温度场的动态检测,其测定精度有了问题。加上红外线传感器如为高灵敏的,大部分不冷却到液态氮的温度就不能使用。但摄像装置内不装备有液氮的杜瓦瓶或冷却剂,一般必须装备的大型设备大都不具有可移动性。

　　上世纪八十年代的后半期,将红外线检测单元按矩阵状排列,并且开发了搭载有焦平面阵列式传感器的红外线温度自动记录器,由于阵列式传感器上的红外线检出单元通过电子扫查读取信号,使得热成像数据的等时性与机械扫查相比有了明显提高。上世纪九十年代后期,由于阵列式传感器像素数的增加,进而由检出单元获得信号的电子扫查技术的进步,出现了等时性优良的精密温度分布热像图,使得高速、高分辨率的检测成为可能。现在所采用的锑化铟(InSb)检测单元,其ENTD数值(噪声等效温差)可以达到小于等于0.025℃的程度,检测速度和检测像素数都有了很大提高。例如具有320×256像素的红外线温度自动记录器,作满画面检测时为345帧/s,将使用的像素数减少1/4,检测速度约为原来的4倍,可检测毫秒级的数据。数据检测方面的数字长度通常为12bit～14bit。