紅外線檢測的原理及缺點(diǎn)

無損檢測技術(shù)方法中的紅外線檢測（紅外輻射檢測）的實(shí)質(zhì)是利用物體輻射紅外線的特點(diǎn)進(jìn)行非接觸的紅外溫度記錄法。

紅外線是一種電磁波，具有與無線電波及可見光一樣的本質(zhì)，波長在0.76～100μm之間，按波長的范圍可分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外、極遠(yuǎn)紅外四類，它在電磁波連續(xù)頻譜中的位置是處于無線電波與可見光之間的區(qū)域。紅外線輻射是自然界存在的一種zui為廣泛的電磁波輻射，它是基于任何物體在常規(guī)環(huán)境下都會(huì)產(chǎn)生自身的分子和原子無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，并不停地輻射出熱紅外能量，分子和原子的運(yùn)動(dòng)愈劇烈，輻射的能量愈大，反之，輻射的能量愈小。

一切溫度在零度（-273.15K°）以上的物體，都會(huì)因自身的分子運(yùn)動(dòng)而不停地向周圍空間輻射出紅外線，物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。通過紅外線輻射的探測器將物體輻射的功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后（對(duì)物體自身輻射的紅外能量的測量），就能準(zhǔn)確地測定它的表面溫度，或者通過成像裝置的輸出信號(hào)就可以完全一一對(duì)應(yīng)地模擬掃描物體表面溫度的空間分布，經(jīng)電子系統(tǒng)處理，傳至顯示屏上，得到與物體表面熱分布相應(yīng)的熱像圖。運(yùn)用這一方法，便能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)距離熱狀態(tài)圖像成像和測溫并進(jìn)行分析判斷，亦即紅外輻射檢測的基本原理。

普朗克黑體輻射定律：黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波長的輻射能量，沒有能量的反射和透過，其表面的發(fā)射率為1。雖然自然界中并不存在真正的黑體，但是為了弄清和獲得紅外輻射分布規(guī)律，在理論研究中必須選擇合適的模型，這就是普朗克提出的體腔輻射的量子化振子模型，從而導(dǎo)出了普朗克黑體輻射的定律，即以波長表示的黑體光譜輻射度，這是一切紅外輻射理論的出發(fā)點(diǎn)，故簡稱黑體輻射定律。

自然界中存在的實(shí)際物體，幾乎都不是黑體。所有實(shí)際物體的輻射量除依賴于輻射波長及物體的溫度之外，還與構(gòu)成物體的材料種類、制備方法、熱過程以及表面狀態(tài)和環(huán)境條件等因素有關(guān)。因此，為使黑體輻射定律適用于所有實(shí)際物體，必須引入一個(gè)與材料性質(zhì)及表面狀態(tài)有關(guān)的比例系數(shù)，即發(fā)射率。該系數(shù)表示實(shí)際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，其值在零和小于1的數(shù)值之間。根據(jù)輻射定律，只要知道了材料的發(fā)射率，就知道了任何物體的紅外輻射特性。

根據(jù)材料的熱擴(kuò)散率（發(fā)射率）：a=k/（ρ·c），式中：k-材料的導(dǎo)熱率；ρ-材料質(zhì)量體密度；c-材料的比熱

可知熱擴(kuò)散率（發(fā)射率）與材料性質(zhì)有關(guān)。對(duì)于均勻無缺陷的材料，a為常數(shù)。當(dāng)在均勻材料中有缺陷存在時(shí)，缺陷相當(dāng)于具有另一熱擴(kuò)散率的材料，因而有缺陷部分與無缺陷部分的熱狀態(tài)不同，表現(xiàn)在材料表面有不同。熱傳導(dǎo)的差異在材料表面形成時(shí)間和空間上的溫度梯度，即溫度擾動(dòng)：△T=Tf-T，式中：△T-溫度擾動(dòng)；Tf-有缺陷處的材料表面溫度；T-無缺陷處的材料表面溫度?！鱐不僅與材料的熱擴(kuò)散率有關(guān)，而且與缺陷的幾何尺寸和埋藏深度有關(guān)。

當(dāng)材料表面的溫度差大于紅外熱象儀的zui小可測溫度時(shí)，即可在熱象儀上觀察試件表面溫度分布的熱圖像，分析判斷材料中是否存在缺陷，從而達(dá)到檢測目的。也就是說：影響發(fā)射率的主要因素與材料種類、表面粗糙度、理化結(jié)構(gòu)和材料厚度等相關(guān)。

如果通過在試件背面或正面加熱（人工或自然加熱），從而向被檢試件注入一定的熱量（主動(dòng)式），以便進(jìn)行的紅外檢測屬于主動(dòng)式紅外檢測。依靠物體自身熱輻射而對(duì)其溫度場被動(dòng)成象的紅外檢測屬于被動(dòng)式紅外檢測。例如利用試件自身存在的熱源（被動(dòng)式），當(dāng)試件內(nèi)部存在缺陷時(shí)，因?yàn)槿毕莸膶?dǎo)熱性與母體材料的導(dǎo)熱性有差異，可以測量這種差異從而檢出缺陷。

目前zui常用的紅外檢測方式仍以被動(dòng)式紅外檢測為多。被動(dòng)式紅外檢測除了在工業(yè)上用于設(shè)備、構(gòu)件等的熱點(diǎn)檢測外，在軍事上應(yīng)用如紅外夜視儀、紅外瞄準(zhǔn)鏡等，在醫(yī)學(xué)上可應(yīng)用于檢查人體溫度異常區(qū)域，例如2003年的薩斯（SARS）流行期間安置于機(jī)場、車站等人流密集的地方監(jiān)視人體額頭部位有無發(fā)熱就是一個(gè)典型的應(yīng)用實(shí)例。

紅外檢測（紅外診斷技術(shù)）是一種在線監(jiān)測的檢測技術(shù)，它集光電成像技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)于一身，通過接收物體發(fā)出的紅外線（紅外輻射），將其熱像顯示在熒光屏上，從而準(zhǔn)確判斷物體表面的溫度分布情況，具有準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、快速等優(yōu)點(diǎn)。任何物體由于其自身分子的運(yùn)動(dòng)，不停地向外輻射紅外熱能，從而在物體表面形成一定的溫度場，俗稱“熱像”。紅外診斷技術(shù)正是通過吸收這種紅外輻射能量，測出設(shè)備表面的溫度及溫度場的分布，從而判斷設(shè)備發(fā)熱情況。目前應(yīng)用紅外診技術(shù)的測試設(shè)備比較多，如紅外測溫儀、紅外熱電視、紅外熱像儀等等。紅外熱電視、紅外熱像儀等設(shè)備利用熱成像技術(shù)能將這種看不見的“熱像”轉(zhuǎn)變成可見光圖像，使測試效果直觀，靈敏度高，能檢測出設(shè)備細(xì)微的熱狀態(tài)變化，準(zhǔn)確反映設(shè)備內(nèi)部、外部的發(fā)熱情況，可靠性高，對(duì)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患非常有效。紅外熱成像系統(tǒng)已經(jīng)在電力、消防、石化以及醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

紅外測溫技術(shù)在產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測、設(shè)備在線故障診斷、安全保護(hù)以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮了重要作用。

紅外檢測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是能非接觸遙控測量，直接顯示實(shí)時(shí)圖像，靈敏度較高，檢測速度快。紅外熱象儀結(jié)構(gòu)簡單，使用安全，信息數(shù)據(jù)處理速度快，并能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測和*性記錄，在檢測時(shí)受試件表面光潔度影響小等。因此，紅外檢測已廣泛應(yīng)用于金屬、非金屬構(gòu)件，尤其適用于導(dǎo)熱系數(shù)低的材料，如檢測復(fù)合材料、膠接結(jié)構(gòu)和疊層結(jié)構(gòu)中的孔洞、裂紋、分層和脫粘類缺陷，還可用于聚合物、橡膠、尼龍、膠紙板、石棉、有機(jī)玻璃、水泥制品、陶瓷等的質(zhì)量檢測，對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)整體或殼體、航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、渦輪葉片、電子儀器的整機(jī)或組件（如印刷電路板、集成電路塊等）的溫度監(jiān)控，可以檢查元件的質(zhì)量、釬焊質(zhì)量及工作狀態(tài)，并且在電力設(shè)備（如發(fā)電機(jī)組的換向觸點(diǎn)、變壓器、高壓瓷瓶、高壓開關(guān)與觸頭、輸變電線路等）的熱點(diǎn)檢測、鐵路車輛的熱軸檢測、建筑工程中墻體構(gòu)造異常和墻飾面層質(zhì)量的檢測，以及石油化工、采暖、節(jié)能等多方面都獲得了應(yīng)用。

紅外檢測的缺點(diǎn)是由于檢測靈敏度與熱輻射率相關(guān)，因此受試件表面及背景輻射的干擾，受缺陷大小、埋藏深度的影響，對(duì)原試件分辨率差，不能測定缺陷的形狀、大小和位置。在檢測時(shí)對(duì)時(shí)間-溫度關(guān)系要求嚴(yán)格，需要使用如液氮冷卻的探測器（新型的紅外熱象儀已經(jīng)不需要采用液氮或高壓氣冷卻，而以熱電方式致冷，可用電池供電），檢測結(jié)果的解釋比較復(fù)雜，需要有參考標(biāo)準(zhǔn)，檢測操作人員需要經(jīng)過培訓(xùn)等。新一代的紅外熱象儀已經(jīng)能夠?qū)囟鹊臏y量、修改、分析、圖像采集、存儲(chǔ)合于一體，重量小于7公斤，儀器的功能、精度和可靠性都得到了顯著的提高。