红外热成像是我在以往日常工作中偶热用到的产品,对于一些特定场景,它非常有用,我梳理了一些基础的知识,让自己再温习下这个产品的原理,也可能会对一些电子爱好者、工程人士有一定的帮助。

热成像基本原理

任何温度高于绝对零 (-273.15 °C) 的物体,都会根据其温度发出红外能量(热量);物体发出的红外线能量被称为它的热特征。一般来说,物体越热,它发出的辐射就越多。热成像仪本质上是一种热传感器,能够检测、捕捉到微小的温度差异,它收集来自场景中物体的红外辐射,并根据有关温差的信息创建像素、组成图像。由于物体很少与周边物体的温度完全相同,因此热成像仪可以检测到它们的差异,并且在热图像中形成鲜明的反差,这就是红外热成像基本原理。

接下来,先来了解一些红外热成像的物理基础。

电磁频谱范围

在 19 世纪的下半叶,人们发现热辐射和其他电磁波(如可见光或无线电波)在性质上是相似的。随后,基尔霍夫、斯蒂芬、波尔兹曼、维恩和普朗克发现了辐射定律。到 20 世纪中叶,红外技术在军事用途方面的密集而成功的工作促进了第一台红外观察器的建造。随着时间和技术的发展,也是 60 年代第一个用于非军事应用的热成像设备。然而,与此同时,随着可用设备的显着多样化,高温计发展成为工业温度测量中一种广泛应用的方法。

电磁频谱覆盖的电磁波的频率范围从0Hz以上到10的25方Hz以上,下图中从左往右,从无线电波,依次是微波、红外线、可见光、紫外线、X射线,以及最右侧的伽马射线。而红外热成像利用的频段,集中在近红外,范围为2500~750 nm波长的光谱。

黑体辐射定律

现实生活中的物体显示出不同的辐射特性。因此,事实证明,首先考虑一种理想辐射特性的模型体,然后将其应用于实际发生的物体作为参考,这个模型体在辐射物理学中被称为黑体。它的独特之处在于,在所有相同温度的物体中,它显示出最大的可能发射辐射。

普朗克辐射定律描述了黑体辐射的光谱扩展:

上面的曲线图里,可以看到光谱的波长随着物体的温度变化而变化,例如,温度超过 500 °C 的物体也会发出可见光范围内的辐射。此外,在每个波长处,辐射强度都会随着温度的升高而增加。

普朗克的辐射定律代表了非接触式温度测量的主要相关性。然而,由于它的抽象性质,它不能以这种形式直接应用于许多实际计算,但是可以从中导出各种进一步的相关性。以下将简要提及其中的两种。因此,通过积分,例如,跨越所有波长的光谱辐射强度,可以获得身体发出的整个辐射的值。

由于其简单的数学相关性,它非常适合粗略估计,特别是在计算物体的热平衡以及总辐射高温计的相互关系时。然而,大多数测量设备的光谱测量无法做到理想范围,因此该方程不适用于此目的。

普朗克辐射定律的图形表示表明黑体发出的辐射具有最大值的波长随着温度的变化而变化。WIEN 位移定律可以通过微分从 PLANCK 方程导出。

被测物体的温度越低,其辐射最大值向较大波长移动的幅度越大,接近室温时约为 10 µm。

空气的透射水平非常依赖于波长,高衰减范围与高透射率范围(阴影)交替出现,即所谓的大气窗口。虽然 8 ~14 µm 范围内的透射率,即长波大气窗口,在更长的距离内保持同样高,但大气引起的可测量衰减已经发生在 3 ~ 5 µm,即短波大气窗口,测量距离约为十米。

被测物的影响

在考虑主相关性时,黑体作为辐射模型是必不可少的。但由于要测量的真实物体或多或少地偏离该模型,因此可能有必要在测量中考虑这种影响。特别是发射率参数,它是人体发射红外辐射能力的量度,当它的值为 1 时,黑体具有最高发射率,这也取决于波长。

与此相反,要测量的真实物体的发射率可能或多或少地表现出对波长的强烈依赖性,以下参数也有影响:

温度材料成分表面氧化膜表面粗糙度偏振度

许多非金属材料,无论其表面是什么结构,都会显示出高且相对恒定的发射率。比如人体皮肤、涂料等等。

相比之下,金属材质通常具有低发射率,这很大程度上取决于表面特性,并且随着波长的增加而下降。

热成像仪设计原理

接下来看看一台红外热成像仪是如何拾取图像,下图是成像仪最核心的前端模组的器件组成结构:

Lens是光学镜头模组,它将红外能量搜集进来,它的设计决定了成像仪的取景范围。Filter是滤光片,它的作用是滤除不需要的其他频段的能量,只保留有效的红外波段。Detector是sensor,可以理解为我们普通手机摄像头模组中的CCD或者CMOS,它把光能量转换成电信号。Amplifier & Signal processing是把电信号进行放大、模数转换、算法等等一系列的数据处理,得到图像数据。Real time display是最后用户看到的显示屏上展示的红外成像。

我不是具体做热成像产品设计的,具体内部的电路方案,主控选型和光电系统的设计,我也不懂,就不展开了,对大部分有兴趣的人,只要知道系统组成就可以了。

应用场景

热成像的应用可以说无处不在。

近2年的疫情期间,热成像在很多地方得到应用,因为新冠最大的人体表现是发烧,通过体温的监测,是最快速高效和直观的筛选方法:知乎上,经常看到很多测试达人用它来做一些家电、充电宝,众多对热量敏感的产品的工作温度分析。我之前从事过的电力行业,一些高压开关柜、配电箱等巡检,热红外成像也慢慢成为常规的检测手段:其他

许多通过可见光无法正常观测的对象,比如在夜间抓捕犯人、火灾急救、医疗……很多场景都有热成像的用武之地。