紅外熱成像儀的基礎(chǔ)知識(shí)

紅外熱成像儀的救援應(yīng)用

紅外熱成像儀通過(guò)利用紅外熱成像技術(shù)能夠幫助消防員在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行偵察、搜救及滅火工作，無(wú)論是火災(zāi)事故還是搶險(xiǎn)救援事故，熱成像儀都能帶給消防員肉眼以外的視野，成為職業(yè)消防員救援不可或缺的重要工具，消防員熟練使用紅外熱像 儀可提升滅火救援效率，預(yù)知風(fēng)險(xiǎn)隱患，確保消防救援行動(dòng)安全高效。

一、紅外熱成像儀基礎(chǔ)知識(shí)

1.工作原理

自然界中一切溫度高于絕對(duì)零度（－273℃）的物體每時(shí)每刻都會(huì)向外輻熱量，這種輻射熱就是通過(guò)紅外線的電磁波形式向外輻射，這種紅外線輻射能夠表征物體的特征信息，例如溫度高低，紅外熱成像儀就是利用這一特性，紅外熱成像儀通過(guò)光電紅外探測(cè)器將物體發(fā)熱部位輻射的功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再通過(guò)成像裝置一一將轉(zhuǎn)換的電信號(hào)經(jīng)過(guò)處理轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)傳導(dǎo)至屏幕上，就得到與物體便面熱分布相對(duì)應(yīng)的熱成像圖，就是我們所看到的紅外熱圖像。

紅外熱成像的成像原理決定了紅外熱成像的的缺點(diǎn)和不足，掌握該原理能夠幫助消防員理解儀器缺陷。

2.熱成像的結(jié)構(gòu)及模式應(yīng)用

消防紅外熱成像儀有五個(gè)組件組成：光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測(cè)器、放大器、信號(hào)處理器、顯示器。為了便于消防應(yīng)用，一般消防熱成像儀具有防爆、耐熱、防水、防摔、輕便等特點(diǎn)。

為了更好的適應(yīng)消防救援的應(yīng)用，目前很熱成像儀有多種成像模式，目的就是為了更好的在不同應(yīng)用環(huán)境下的使用，以Mi-TIC-320-3-C 手持式紅外熱成像儀為例，該熱成像儀共有6種成像模式：

①火災(zāi)模式：一般用于建筑內(nèi)部滅火救援時(shí)使用，該模式的特點(diǎn)在于當(dāng)溫度高于150℃時(shí)，物體的現(xiàn)象將增著色，從而更清晰的判斷一定范圍內(nèi)的溫度的物體。著色時(shí)固定的，通過(guò)改變亮度和色彩，使圖像細(xì)節(jié)在整個(gè)范圍內(nèi)保持可見(jiàn)。

②評(píng)估模式：一般在火場(chǎng)外部進(jìn)行偵察評(píng)估時(shí)使用，此模式與火災(zāi)模式不同的是，其將顯像著色的溫度變低，在250℃的有限動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，將溫度顏色參照分為5個(gè)刻度，從而能夠在外部快速判斷高溫度區(qū)域及著火點(diǎn)位置。

③白熱模式：該模式主要用于搜索景區(qū)、建筑物或交通事故現(xiàn)場(chǎng)的熱源應(yīng)用，該模式未將溫度現(xiàn)象做顏色區(qū)別，只有白熱、黑冷的對(duì)比，溫度從-40℃至80℃的有限動(dòng)態(tài)范圍參照條，沒(méi)有溫度標(biāo)，通過(guò)改變亮度使圖像細(xì)節(jié)在整個(gè)范圍內(nèi)保持可見(jiàn)。

④搜索模式：可用于可以熱源和高熱物體的搜索，主要特點(diǎn)就是將環(huán)境中溫度最高的物體突出的顯為紅色，利于搜索人員及時(shí)定位環(huán)境中的高熱物體。

⑤檢查模式：主要用于對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)性檢查，例如電器設(shè)備荷載情況查詢，該模式的特點(diǎn)在于其對(duì)不同溫度的現(xiàn)象為全色階顯示，能夠清晰的看到不同溫度的顏色差異。

⑥搜救模式：該模式一般用在未過(guò)火的建筑內(nèi)部搜尋被困人員使用，該模式的特點(diǎn)在沒(méi)有過(guò)火的環(huán)境中，利用藍(lán)色和高反差的畫面凸顯熱源，增加搜救發(fā)現(xiàn)的概率。

二、紅外熱成像儀的救援場(chǎng)景運(yùn)用

紅外熱成像儀器在消防救援應(yīng)用中主要有以下方面：

1.火情偵察使用

偵察主要判斷燃燒產(chǎn)生熱量的生源點(diǎn)和蔓延途徑，以此判斷火場(chǎng)最先起火的房間、著火點(diǎn)的具體位置、火災(zāi)發(fā)展和蔓延的方向等，以此判斷火災(zāi)發(fā)展的階段和火場(chǎng)進(jìn)攻的路徑，火情偵察一般使用評(píng)估模式。

1.1判斷最先起火的房間

民房火災(zāi)發(fā)生后，受建筑分隔的影響，燃燒會(huì)暫時(shí)局限在最先起火的房間里。隨著燃燒的不斷進(jìn)行，火勢(shì)突破門窗向其他房間蔓延，由于最先起火的房間燃燒時(shí)間最長(zhǎng)，燃燒最充分，室內(nèi)溫度最高。所以，利用紅外熱成像儀在建筑物外部實(shí)時(shí)成像，可以大致確定最先著火房間。

1.2判斷火災(zāi)蔓延方向

一般而言，火災(zāi)煙氣的蔓延方向就是火勢(shì)蔓延的方向，由于火災(zāi)煙氣具有高溫高熱的特性，通過(guò)熱成像儀實(shí)時(shí)成像的特點(diǎn)觀察火災(zāi)煙氣的流動(dòng)方向可大致判斷火勢(shì)蔓延的方向，并大致判斷火場(chǎng)內(nèi)部壓力分布及煙氣驅(qū)動(dòng)形式，預(yù)防消防員在煙氣流動(dòng)路徑中作戰(zhàn)。

1.3判斷起火點(diǎn)

火場(chǎng)中起火點(diǎn)的判斷非常重要。一般起火點(diǎn)位置的室內(nèi)墻壁和頂棚處為整個(gè)建筑內(nèi)部溫度的最高處，可以以此判斷出著火點(diǎn)的大概位置。

2.火場(chǎng)內(nèi)部滅火救援使用

紅外成像儀能夠在濃煙或低能見(jiàn)度的環(huán)境中為消防員提供清晰的視野，更方便的觀察火場(chǎng)內(nèi)部的環(huán)境，在火場(chǎng)內(nèi)部主要有搜尋被困人員、尋找隱秘火點(diǎn)、輔助射流冷卻、尋找逃生出口等。

2.1.搜救被困人員

紅外光可以穿透熱煙霧，火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)被困人員與周圍環(huán)境存在的溫度差，通過(guò)利用這一特點(diǎn)。紅外熱成像儀顯示不同的溫度分布圖，可使消防人員在濃煙情況下，清晰地發(fā)現(xiàn)被困人員，為營(yíng)救贏得寶貴時(shí)間。研究數(shù)據(jù)表明，在同等熱煙狀況下的室內(nèi)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，使用紅外熱像儀進(jìn)行搜救的時(shí)間，比未使用紅外熱像儀進(jìn)行搜救的時(shí)間可減少80%。

2.2尋找隱秘火點(diǎn)

在建筑火災(zāi)因?yàn)榻ㄖ嬖谠S多鏤空的空隙，例如天花吊頂、保溫墻壁空腔、電梯線纜豎井內(nèi)位置當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)往往火點(diǎn)不易被發(fā)現(xiàn)，存在隱秘燃燒和陰燃的情況，不注意時(shí)可能發(fā)生復(fù)燃，此時(shí)可利用火災(zāi)、巡檢模式快速定位隱秘火點(diǎn)，精準(zhǔn)打擊火點(diǎn)。

2.3輔助射流

紅外熱成像能夠清晰的看清建筑室內(nèi)的熱能分布，根據(jù)熱成像的視野可以識(shí)別高溫物體、積蓄的高溫?zé)煔狻⑷紵幕鹪吹?，以此將有限的滅火劑打在最需要降溫的地方，提高滅火救援的效率，降低火?chǎng)內(nèi)部的水漬損失。

3.非火災(zāi)救援應(yīng)用

3.1交通事故救援應(yīng)用

在車輛事故救援中尤其在黑夜中利用白熱模式，可尋覓隱藏的泄漏物質(zhì)，例如燃料、?；返?；確定現(xiàn)場(chǎng)的范圍和大小，包括設(shè)計(jì)的車輛數(shù)量及其在夜間下或下雪、大霧等能見(jiàn)度低情況下的人員、車輛位置，另外也可在能見(jiàn)度低的情況下確定救援人員位置，做好現(xiàn)場(chǎng)安全管控。

3.2戶外搜救

由于熱成像儀可以檢測(cè)人體產(chǎn)生的熱量，使搜索者能夠使用熱成像儀透過(guò)障礙物更快的尋早到被困人員，搜救模式能夠擴(kuò)大在戶外人體溫度與周圍溫度的差異對(duì)比，因此戶外搜索要選擇搜救模式。

3.3電量荷載監(jiān)測(cè)

電線在高荷載的情況下會(huì)發(fā)熱，電力部門工作人員常常利用檢查模式檢測(cè)電線或者電器設(shè)備的荷載發(fā)熱情況，及時(shí)安全的管控風(fēng)險(xiǎn)。

3.4確定泄漏位置

液化類或者高壓類氣體在氣化或者泄漏時(shí)都是吸熱，導(dǎo)致泄漏點(diǎn)位置溫度急劇下降，低溫的氣體會(huì)冷凝周圍空氣中的水蒸氣，導(dǎo)致像有大霧發(fā)生一樣，造成周圍視線模糊，另外這種情況下消防員一般穿著重型防護(hù)裝備，減輕了聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)的觀察能力，此時(shí)紅外熱成像儀器就可以透過(guò)氣霧將周圍溫度差顯示在屏幕中，所以可以利用紅外熱像儀快速尋找到閥門損壞、管道破裂或其他相關(guān)設(shè)備破損造成的隱蔽性泄漏的具體部位。

4.罐體容量檢測(cè)

當(dāng)無(wú)保溫層油罐及其他罐體受到熱輻射時(shí)，由于罐內(nèi)物質(zhì)熱容量比空罐大會(huì)產(chǎn)生溫度差，用熱像儀可以很方便判斷儲(chǔ)液罐液位。也可以對(duì)槽罐車、火場(chǎng)中的液化氣鋼瓶進(jìn)行檢測(cè)，判斷危險(xiǎn)源是否有爆炸危險(xiǎn)。石油、化工等特殊災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，因存放大量易燃物儲(chǔ)罐，使其成為高危的災(zāi)害救援場(chǎng)所。這類企業(yè)火災(zāi)中，儲(chǔ)罐溫度和液位的數(shù)據(jù)采集對(duì)指揮員決策顯得尤為重要。肉眼是不能直接看見(jiàn)石油化工產(chǎn)品及原料在儲(chǔ)罐內(nèi)的具體液位。但是，這些液體在罐內(nèi)儲(chǔ)存時(shí)，因儲(chǔ)存的可燃液體熱容量較空罐區(qū)域大，會(huì)出現(xiàn)一定的溫度差。

三、紅外熱成像儀使用的局限及影響因素

1.紅外線的反射

對(duì)于表面光滑的物體，比如玻璃、金屬門、地面上的積水，附近環(huán)境或物體的紅外能量會(huì)被光滑表面反射，使用熱成像時(shí)可能看到紅外線被反射的影像。

2.穿透率

有些能被可見(jiàn)光穿透的物體不一定能被紅外線穿透，例如玻璃或者透明膠片等。

透明玻璃窗后的紅外線能量不能穿透玻璃，熱成像儀只能顯示窗戶打開部位的戶外環(huán)境。相反，在玻璃窗前的使用者紅線線能量被反射并呈現(xiàn)在熱成像儀的顯像視頻中。

3.視野

人眼的可視范圍大約為水平角度200度、垂直角度135度，而一般的熱成像儀只有水平角度50度、垂直角度37.5度，這就導(dǎo)致紅外熱成像儀的視野只有人眼視野的1/4，狹隘的角度容令使用者錯(cuò)誤判斷觀察中的地方或物件距離較近或者體積較大，實(shí)際看到的是較遠(yuǎn)或者是較小的。

4.相對(duì)溫度

一件物體在紅外熱成像儀的畫面之中是變得光亮還是暗淡，取決于物體在環(huán)境中的相對(duì)溫度，所以在搜救中，假設(shè)人身處火場(chǎng)，人體相對(duì)溫度與火場(chǎng)相比是較低的，所以人體成像是比較暗淡，架設(shè)人實(shí)在戶外，相對(duì)室外溫度，人體溫度相對(duì)較高，此時(shí)人體成像是較為光亮的。

5.溫度測(cè)量

部分熱成像儀可以讀取現(xiàn)場(chǎng)的溫度，并顯示中央的標(biāo)記點(diǎn)位置物質(zhì)表面面的溫度。但由于紅外熱成像儀是從外部間接接收紅外線并推算出相關(guān)物體便面溫度的，這種非直接接觸時(shí)的溫度測(cè)量容易收到很多因素的影響，并不能作為準(zhǔn)且的溫度讀數(shù)，只能作為參考使用，在測(cè)量溫度時(shí)應(yīng)注意以下方面可以提高溫度測(cè)量的精準(zhǔn)度。

以下例子以一個(gè)盛滿熱水的水瓶作為示范。

5.1測(cè)量距離：當(dāng)紅外線在空間中傳播時(shí)，可能會(huì)被空間中的物質(zhì)所影響，例如水蒸氣、煙等，導(dǎo)致熱量損失，建議熱成像儀測(cè)量溫度時(shí)，被測(cè)物體與儀器之間的距離不超過(guò)4米，測(cè)量的溫度只是被測(cè)量物體表面的溫度，并不等于物質(zhì)的實(shí)際溫度，距離較近時(shí)可以準(zhǔn)確的得出物體的實(shí)際溫度，但是由于紅外成像儀顯像的原因，難以判斷物體的形狀或整體環(huán)境情況。所以如果需要利用紅外熱成像儀測(cè)量溫度，應(yīng)在較近的距離測(cè)量。

以下為近距離測(cè)試熱水瓶和遠(yuǎn)距離測(cè)試熱水瓶情況隊(duì)比。（溫度精準(zhǔn)則近距離測(cè)，成像清晰則遠(yuǎn)距離測(cè)）

5.2測(cè)量角度：若被測(cè)物體與紅外熱成像儀不在同一個(gè)水平方向，則紅外線的傳播距離會(huì)增加，溫度損失也較多，所以測(cè)量物體溫度時(shí)盡量與物體保持在同一個(gè)水平方向。

5.3測(cè)量位置：紅外熱成像儀只讀取顯示屏中央目標(biāo)標(biāo)記物體位置的平均溫度，要測(cè)量物體時(shí)使用者須確保顯示屏中央的標(biāo)點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)物體，并將中央標(biāo)點(diǎn)完全覆蓋。

測(cè)量水平時(shí)不同位置標(biāo)點(diǎn)的差異

5.4被測(cè)量物體的大?。?/strong>若被測(cè)量物件面積較小，則熱成像儀測(cè)量的該物體溫度被周圍物質(zhì)溫度干擾就越大。建議被測(cè)量物件應(yīng)占熱能顯像機(jī)顯示屏至少三份之一畫面。