作者：www.linkwan.com 创办人 林和安 

本文发表于《中华业余无线电研究会成立70周年纪念特刊》

很多时候，我们除了要了解物体表面的温度以外，还需要了解物体的温度分布情况，以便对物体的结构进行分析研究，探测物体内部缺陷。红外线成像技术可以将物体的温度分布用图像的形式直观地显示出来。利用物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像，这就是热成像仪的原理。热成像仪生成的图像通过不同的颜色来代表被测物体的不同温度。下面根据不同成像器件对热成像原理作简要介绍。

图1：热像仪

一、热成像仪的历史

目前，红外热成像仪在军民两方面都有应用，如红外测温仪、红外热像仪、红外报警仪等等。热成像仪最早起源于军用，逐渐转为民用，主要用于研发或工业检测与设备维护中，在防火、夜视以及安防中也有广泛应用。那麽红外技术的发展历史大家是否了解呢？

红外成像技术始于20世纪30年代，它利用处于高真空的堿金属或半导体光阴极，将红外辐射转换为电子辐射，再通过荧光屏使电子图像转换为人眼能看到的光学图像。但由于其灵敏度低，早期在使用红外变像管观察时，必须有红外辐射装置“主动”照射目标。在第二次世界大战末期，德国和美国在战场上开始使用这种主动红外夜视仪。由于它存在隐蔽性差，装置笨重等缺点，又相继发展了微光像增强技术和被动红外热成像技术。1964年，美国德克萨斯仪器公司为美军提供了第一台军用红外热成像系统，之后，出现了多种军用热成像系统。

不可否认，军事应用是红外技术发展的主要动力，但目前国际上市场越来越转向国民经济的各个领域，从工业检测、医学诊断到卫星遥感都在应用红外热成像技术。六十年代中期，瑞典AGEMA公司研制出第一套工业用的实时成像系统，该系统由液氮制冷，110V电源电压供电，重约35公斤，1988年推出的全功能测温热像仪，将温度的测量，修改、分析、图像采集，存储合于一体，重量小于7公斤，仪器的功能、精度和可行性都得到了显著的提高。九十年代中期，美国一些公司首先将非制冷焦平面技术成功应用于民用热像仪开发，研制成功新一代的红外测温热像仪，技术性能更加先进，现场测温时只需对准目标摄取图像，并将上述信息存储到机内的PC卡上，即完成全部操作，各种参数的设定可回到室内用软件进行修改和分析数据，最后直接得出检测报告，由于技术的进步，仪器重量已小于2公斤，使用中如同手持摄像机一样，可方便地进行操作。

国内研究开发红外技术的应用，起始于五十年代后期，开始发展红外技术主要是为国防事业服务，经过几十年的努力，在军事应用和高科技领域取得了令人瞩目的成就，随着改革开放形势的深入发展，我国军用方面的红外技术开始向民用方面辐射，至目前，民用国产红外热像仪的研制，开发和生产，已处于不断的完善和提高之中，特别是随着电子技术的高速发展和国外先进技术的引进，国产红外热像仪在仪器的技术功能，测温精度及实用性、可行性等方面，都取得了较大的改进和提高，部分指标已经达到世界先进水平。

二、热成像仪原理

现代热像仪的工作原理是利用红外探测器和光学成像物镜来检测和测量辐射，并在辐射与表面温度之间建立相互联系。所有高于绝对零度（-273℃）的物体都会发出红外辐射。热像仪利用红外线光学系统收集物体散发出的红外线辐射，经红外线探测器转化为电信号，再经过放大和信号处理，利用光敏元件形成可供人眼观察的红外热图像，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。

图2：热像仪原理框图

红外热像仪的构成一般包括5大部分：

1、红外镜头: 接收和汇聚被测物体发射的红外辐射；

2、红外探测器组件: 将热辐射信号变成电信号；

3、电子组件: 对电信号进行处理；

4、显示组件: 将电信号转变成可见光图像；

5、软件: 处理采集到的温度数据，转换成温度读数和图像。

图三：热像仪工作示意图

三、热像仪的应用

红外热像仪的应用范围随着人们对其认识的加深而愈来愈广泛：用红外热像仪可以十分快捷的探测电气设备不良接触，以及过热的机械部件，以免引起严重短路和火灾。对于所有可以直接看见的设备，红外热成像产品都能够确定所有连接点的热隐患。对于那些由于屏蔽而无法直接看到的部分，则可以根据其热量传导到外面的部件上的情况，来发现其热隐患，这种情况对传统的方法来说，除了解体检查和清洁接头外，是没有其它的办法。断路器、导体、母线及其它部件的运行测试，红外热成像产品是无法取代的。然而红外热成像产品可以很容易地探测到回路过载或三相负载的不平衡。

在红外热像预知维护领域，采用红外热像仪对所有电气设备、配电系统，包括高压接触器、熔断器盘、主电源断路器盘、接触器、以及所有的配电线、电动机、变压器等等，进行红外热成像检查，以保证所有运行的电气设备不存在潜伏性的热隐患，有效防止火灾、停机等事故发生。下面是需要进行红外热成像产品检查的部分设施：

1. 各种电气装置：可发现接头松动或接触不良，不平衡负荷，过载，过热等隐患。这些隐患可能造成的潜在影响是产生电弧、短路、烧毁、起火。

2. 变压器：可以发现的隐患有接头松动，套管过热，接触不良（抽头变换器），过载，三相负载不平衡，冷却管堵塞不畅。其影响为产生电弧、短路、烧毁、起火。

3. 电动机、发电机：可以发现的隐患是轴承温度过高，不平衡负载，绕组短路或开路，碳刷、滑环和集流环发热，过载过热，冷却管路堵塞。其影响为有问题的轴承可以引起铁芯或绕组线圈的损坏；有毛病的碳刷可以损坏滑环和集流环，进而损坏绕组线圈。还可能引起驱动目标的损坏。

图4：热像仪的使用

4. 电气设备维修检查，屋顶查漏，节能检测，环保检查，安全防盗，森林防火，无损探伤，质量控制，医疗检查等等也很有效益。

在科研领域主要应用包括： 汽车研究发展－射出成型、模温控制、刹车盘、引擎活塞、电子电路设计、烤漆； 电机、电子业－印制电路板热分布设计、产品可靠性测试、电子零组件温度测试、笔记本电脑散热测试、微小零组件测试；引擎燃烧试验风洞实验；目标特征分析； 覆合材料检测； 建筑物隔热、受潮检测；热传导研究；动植物生态研究；模具铸造温度测量；金属熔焊研究； 地表/海洋热分布研究等。

红外热成像仪已广泛应用于安全防范系统中，并成为安全监控系统中的明星。由于具有隐蔽探测功能，不需要可见光，可以使犯罪份子不知其工作地点和存在，进而产生错误判断，导致犯罪行为被发现。在某些重要单位，例如：重要的行政中心、银行金库、机要室、档案室、军事要地、监狱等，用红外热成像仪24小时监控，并随时对背景资料进行分析，一旦发现变化，可以及时发出警报，并可以通过智能设备的处理，对有关情况进行自动处理，并随时将情况上报，取得进一步的处理意见。

四、如何挑选一款合适的热像仪

红外热像仪在现代社会中的应用非广泛，可以帮助我们实现高精度的检测服务以及监视服务，提高了现代社会监控水平。红外热成像仪是一种高科技产品，价格昂贵，不同的型号之间也有着很大的差别，用户要能够根据自己的需求选择出性价比高的设备，帮助自己进行生产。使用者对红外热像仪的选择可以根据具体的用途来分类，也就是根据其具体的应用领域来进行挑选。

1、分辨率和像素

红外热像仪的分辨率和像素其实是一个指标，这是决定设备价格的最主要因素。红外热像仪分辨率像素越高，设备的性能也就越强，价格理论上其价格也越高。

2、帧频

帧频是影响红外热像仪价格最为重要的因素，设备的帧频越高，捕获精度越高，价格也就越高。如果设备的帧频高，代表设备的精度高，越能准确显示图像。在实际使用中，建议红外热像仪的帧频一般都要高于30HZ,这样才能够满足基本的使用条件。

3、测温范围

红外热像仪的测温范围也会影响到设备的价格水平，不仅要求测温范围要大，但是一定要拥有可以选择的区间，为用户提供更多的现象。大多数情况我们都使用-20-120度的测温范围，这个测温范围就可以提供很高的灵敏度，帮助设备更好的进行测量。虽然价格贵点，但是在实际工作中，可以给我们提供更多的帮助和好处。

五、红外热像仪的使用方法

随着红外热像仪的广泛普及应用，越来越多的人开始使用接触红外热像仪。同时促使更多的人需要了解掌握正确的红外热像仪的使用方法与技巧。

1、仅仅要求生成清晰红外热图像，还是同时要求精确测温

这之间有什麽区别吗？一条量化的温度曲线可用来测量现场的温度情况，也可以用来编辑显著的温升情况。清晰的红外图像同样十分重要。但是如果在工作过程中，需要进行温度测量，并要求对目标温度进行比较和趋势分析，便需要记录所有影响精确测温的目标和环境温度情况，例如发射率，环境温度，风速及风向，湿度，热反射源等等。

2、了解最大的测量距离

当您测量目标温度时，请务必了解能够得到精确测温读数的最大测量距离。对于非制冷微热量型焦平面探测器，要想准确地分辨目标，通过热像仪光学系统的目标图像必须占到9个像素，或者更多。 如果仪器距离目标过远，目标将会很小，测温结果将无法正确反映目标物体的真实温度，因为红外热像仪此时测量的温度平均了目标物体以及周围环境的温度。为了得到最精确的测量读数，请将目标物体尽量充满仪器的视场。显示足够的景物，才能够分辨出目标。与目标的距离不要小于热像仪光学系统的最小焦距，否则不能聚焦成清晰的图像。

3、选择正确的测温范围

是否了解现场被测目标的测温范围？我们使用红外热像仪为了得到正确的温度读数，请务必设置正确的测温范围。当观察目标时，对仪器的温度跨度进行微调将得到最佳的图像质量。这也将同时会影响到温度曲线的质量和测温精度。

4、调整焦距

大家在使用红外热像仪时，可以在红外图像存储后对图像曲线进行调整，但是无法在图像存储后改变焦距，也无法消除其他杂乱的热反射。保证第一时间操作正确性将避免现场的操作失误。仔细调整焦距！如果目标上方或周围背景的过热或过冷的反射影响到目标测量的精确性时，试着调整焦距或者测量方位，以减少或者消除反射影响。(FORD的意思是：Focus焦距，Range范围，Distance距离)

5、工作背景单一

例如，天气寒冷的时候，在户外进行检测工作时，将会发现大多数目标都是接近于环境温度的。当在户外工作时，请务必考虑太阳反射和吸收对图像和测温的影响。因此，有些较老的红外热像仪只能在晚上进行测量工作，以避免太阳反射带来的影响。

6、保证测量过程中仪器平稳

在使用红外线热像仪拍摄过程中，由于仪器移动可能会引起图像模糊。为了达到最好的效果，在冻结和记录图像的时候，应尽可能保证仪器平稳。当按下存储按钮时，应尽量保证轻缓和平滑。即使轻微的仪器晃动，也可能会导致图像不清晰。推荐将仪器放置在物体表面，或使用三脚架等方式尽量保持稳定。