紅外基本原理介紹

紅外基本原理介紹

??? 自然界中的一切物體，只要它的溫度高于絕對溫度(-273℃)就存在分子和原子無規(guī)則的運動，其表面就不斷地輻射紅外線。紅外線是一種電磁波，它的波長范圍為0.78 ~ 1000um，不為人眼所見。紅外成像設(shè)備就是探測這種物體表面輻射的不為人眼所見的紅外線的設(shè)備。它反映物體表面的紅外輻射場，即溫度場。
注意：紅外成像設(shè)備只能反映物體表面的溫度場。

??? 對于電力設(shè)備，紅外檢測與故障診斷的基本原理就是通過探測被診斷設(shè)備表面的紅外輻射信號，從而獲得設(shè)備的熱狀態(tài)特征，并根據(jù)這種熱狀態(tài)及適當?shù)呐袚?jù)，作出設(shè)備有無故障及故障屬性、出現(xiàn)位置和嚴重程度的診斷判別。

為了深入理解電力設(shè)備故障的紅外診斷原理，更好的檢測設(shè)備故障，下面將初步討論一下電力設(shè)備熱狀態(tài)與其產(chǎn)生的紅外輻射信號之間的關(guān)系和規(guī)律、影響因素和DL500E的工作原理。

一． 紅外輻射的發(fā)射及其規(guī)律

（一） 黑體的紅外輻射規(guī)律

所謂黑體，簡單講就是在任何情況下對一切波長的入射輻射吸收率都等于1的物體，也就是說全吸收。顯然，因為自然界中實際存在的任何物體對不同波長的入射輻射都有一定的反射(吸收率不等于1)，所以，黑體只是人們抽象出來的一種理想化的物體模型。但黑體熱輻射的基本規(guī)律是紅外研究及應用的基礎(chǔ)，它揭示了黑體發(fā)射的紅外熱輻射隨溫度及波長變化的定量關(guān)系。
下面，我著重介紹其中的三個基本定律。

1． 輻射的光譜分布規(guī)律-普朗克輻射定律

一個絕對溫度為T(K)的黑體，單位表面積在波長λ附近單位波長間隔內(nèi)向整個半球空間發(fā)射的輻射功率(簡稱為光譜輻射度)Mλb (T)與波長λ、溫度T滿足下列關(guān)系：
Mλb (T)=C1λ-5[EXP(C2/λT)-1]-1
式中C1-第一輻射常數(shù)，C1=2πhc2=3.7415×108w?m-2?um4
C2-第二輻射常數(shù)，C2=hc/k=1.43879×104um?k
普朗克輻射定律是所有定量計算紅外輻射的基礎(chǔ)，介紹起來比較抽象，這里就不仔細講了。
2． 輻射功率隨溫度的變化規(guī)律-斯蒂芬-玻耳茲曼定律

斯蒂芬-玻耳茲曼定律描述的是黑體單位表面積向整個半球空間發(fā)射的所有波長的總輻射功率Mb(T)(簡稱為全輻射度)隨其溫度的變化規(guī)律。因此，該定律為普朗克輻射定律對波長積分得到：
Mb(T)=∫0∞Mλb(T)dλ=σT4
式中σ=π4C1/(15C24)=5.6697×10-8w/(m2?k4)，稱為斯蒂芬-玻耳茲曼常數(shù)。
斯蒂芬-玻耳茲曼定律表明，凡是溫度高于開氏零度的物體都會自發(fā)地向外發(fā)射紅外熱輻射，而且，黑體單位表面積發(fā)射的總輻射功率與開氏溫度的四次方成正比。而且，只要當溫度有較小變化時，就將會引起物體發(fā)射的輻射功率很大變化。
那么，我們可以想象一下，如果能探測到黑體的單位表面積發(fā)射的總輻射功率，不是就能確定黑體的溫度了嗎？因此，斯蒂芬-玻耳茲曼定律是所有紅外測溫的基礎(chǔ)。
3． 輻射的空間分部規(guī)律-朗伯余弦定律

所謂朗伯余弦定律，就是黑體在任意方向上的輻射強度與觀測方向相對于輻射表面法線夾角的余弦成正比，如圖所示
Iθ=I0COSθ
此定律表明，黑體在輻射表面法線方向的輻射最強。因此，實際做紅外檢測時。應盡可能選擇在被測表面法線方向進行，如果在與法線成θ角方向檢測，則接收到的紅外輻射信號將減弱成法線方向最大值的COSθ倍。

（二） 實際物體的紅外輻射規(guī)律

1． 基爾霍夫定律
物體的輻射出射度M(T)和吸收本領(lǐng)α的比值M/α與物體的性質(zhì)無關(guān)，等于同一溫度下黑體的輻射出射度M0(T)。其表明，吸收本領(lǐng)大的物體，其發(fā)射本領(lǐng)大，如果該物體不能發(fā)射某一波長的輻射能，也決不能吸收此波長的輻射能。
2． 發(fā)射率
實驗表明，實際物體的輻射度除了依賴于溫度和波長外，還與構(gòu)成該物體的材料性質(zhì)及表面狀態(tài)等因素有關(guān)。這里，我們引入一個隨材料性質(zhì)及表面狀態(tài)變化的輻射系數(shù)，則就可把黑體的基本定律應用于實際物體。這個輻射系數(shù)，就是常說的發(fā)射率，或稱之為比輻射率，其定義為實際物體與同溫度黑體輻射性能之比。
這里，我們不考慮波長的影響，只研究物體在某一溫度下的全發(fā)射率：
ε(T) = M(T)/M0(T)
則斯蒂芬-玻耳茲曼定律應用于實際物體可表示為：
M(T) =ε(T).σT4

（三） 發(fā)射率及其對設(shè)備狀態(tài)信息監(jiān)測的影響

物體對于給定的入射輻射必然存在著吸收、反射和透射，而且吸 收率α，反射率ρ和透射率τ之和必然等于1：
α+ρ+τ=1
而且，其反射和透射部分不變。因此，在熱平衡條件下，被物體吸收的輻射能量必然轉(zhuǎn)化為該物體向外發(fā)射的輻射能量。由此可斷定，在熱平衡條件下，物體的吸收率必然等于該物體在同溫度下的發(fā)射率：
α(T)=ε(T)
其實由基爾霍夫定律，我們也可以推斷出以上公式：
M(T)/ α(T)=M0(T)
ε(T) =α(T)
ε(T) = M(T)/M0(T)
則對于一個不透明的物體ε(T) =1-ρ(T)
根據(jù)上式，我們不難定性地理解影響發(fā)射率大小的下列因素：

1． 不同材料性質(zhì)的影響
不同性質(zhì)的材料因?qū)椛涞奈栈蚍瓷湫阅芨鳟?，因此它?的發(fā)射性能也應不同。一般當溫度低于300K時，金屬氧化物的發(fā)射率一般大于0.8。
2． 表面狀態(tài)的影響
任何實際物體表面都不是絕對光滑的，總會表現(xiàn)為不同的表 面粗糙度。因此，這種不同的表面形態(tài)，將對反射率造成影響，從而影響發(fā)射率的數(shù)值。這種影響的大小同時取決
于材料的種類。
例如，對于非金屬電介質(zhì)材料，發(fā)射率受表面粗糙度影響較小 或無關(guān)。但是，對于金屬材料而言，表面粗糙度將對發(fā)射率產(chǎn)生較大影響。如熟鐵，當表面狀況為毛面，溫度為300K時，發(fā)射率為0.94；當表面狀況為拋光，溫度為310K時，發(fā)射率就僅為0.28。
另外，應該強調(diào)，除了表面粗糙度以外，一些人為因素，如施 加潤滑油及其他沉積物(如涂料等)，都會明顯地影響物體的發(fā)射 率。
因此，我們在檢測時，應該首先明確被測物體的發(fā)射率。在一 般情況下，我們不了解發(fā)射率，那么只有用相間比較法來判別故 障。而對于電力設(shè)備，其發(fā)射率一般在0.85-0.95之間。
3． 溫度影響

溫度對不同性質(zhì)物體的影響是不同的，很難做出定量的分析，
只有在檢測過程中注意。

（四） 物體之間的輻射傳遞的影響

上面我們曾經(jīng)討論過物體對于給定的入射輻射必然存在著吸收、反射，而當達到熱平衡后，其吸收的輻射能必然轉(zhuǎn)化為向外發(fā)射的輻射能。因此，當我們在一個變電站中，檢測任意一個目標時，所檢測出來的溫度，必然還存在著附近其它物體的影響。
因此，我們在檢測時，要注意檢測的方向和時間，使其它物體的影響降到最小。

（五） 大氣衰減的影響

大氣對物體的輻射有吸收、散射、折射等物理過程，對物體的輻射強度會有衰減作用，我們稱之為消光。
大氣的消光作用與波長相關(guān)，有明顯的選擇性。紅外在大氣中有三個波段區(qū)間能基本完全透過，我們稱之為大氣窗口，分為近紅外（0.76 ~ 1.1um），中紅外（3 ~ 5um），遠紅外（8 ~ 14）。

對于電力設(shè)備，其大部分的溫度較低，集中在300K ~ 600K(27℃ ~327℃)左右，在這一溫度區(qū)間內(nèi)，根據(jù)紅外基本定律可以推導出，設(shè)備發(fā)射的紅外輻射信號，在遠紅外8 ~ 14um區(qū)間內(nèi)所占的百分比最大，并且輻射對比度也最大。因此，大部分電力系統(tǒng)的紅外檢測儀器工作在8 ~ 14um的波長之內(nèi)。

不 過，請注意，即使工作在大氣窗口內(nèi)，大氣對紅外輻射還是有消光作用。尤其，水蒸氣對紅外輻射的影響最大。因此，在檢測時，最好在濕度小于85%以下，距離則越近越好。