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热像仪如何工作?

热像仪的功能

热像仪捕捉表面的红外辐射(IR),并结合发射率(ε)、反射温度(RTC)、距离和对焦等测量参数,将其转换为每个像素的温度值。结果是热图,可以显示温度分布,从而快速定位热桥或热点等异常。

热像仪在实际应用中测量什么?

在实际应用中,热像仪测量从视场到达探测器的辐射,并据此推导表面温度。因此,测量值并不是“材料的纯温度”,而是取决于被测物体的发射、周围环境的反射以及成像情况(物体尺寸与像素/IFOV 的关系)。要正确解读热图,必须充分考虑这三种影响。

实际应用中的热像仪

基础知识:红外辐射和热图

热成像技术让肉眼看不见的长波红外辐射变得可见。这种辐射属于电磁辐射,表面会根据自身温度和材料特性发出这种辐射。

为什么每个物体都会发出 IR 辐射

所有高于绝对零度的物体都会发出热辐射。温度越高,辐射功率越大。对于热成像来说,表面“发射或反射得好不好”同样重要,这就是为什么两个温度相同的材料可能呈现出不同的“外观”。

从 IR 信号到图像:探测器、信号处理、色标

在探测器(通常为微测辐射热计)中,入射的 IR 辐射会改变许多微小传感元件的电阻。热像仪电子系统处理这些信号,根据设定参数进行校正,并据此生成每个像素的温度值。色标随后将这些值可视化,它可以增强对比度,但不会改变测量的物理基础。

热图

热像仪测量什么,以及不测量什么

热图是一种测量图像,但它仍然是在具体边界条件下进行的表面测量。

测量表面温度,而非“部件内部的温度”

热像仪主要测量表面温度。对于绝缘管道、多层部件或有空气流通的结构,表面温度可能与内部温度或介质温度存在明显差异。因此,根据任务需要,进行补充测量有助于获得可靠的诊断结果。

无法透视墙壁

热像仪无法“透视”坚固且不透明的建筑材料。它们显示的是表面的温度模式。如果墙后有物体升温,可能会以表面模式的形式间接显现,但这并不是透视,而是表面的热传导和成像。

使用热像仪测量表面温度

测量参数为何会改变温度值

如果要使用绝对温度(例如限值和可比性),就必须主动设置测量参数。没有参数设置时,许多场景虽然可以作为模式解读,但绝对值可能会系统性地偏离。

发射率 (ε)

发射率描述表面发出 IR 辐射的效率。较低的 ε(光亮金属的典型特征)意味着反射多、发射少。如果不进行校正,热像仪通常测不到表面的实际值,而是测得物体与反射环境的混合值。

反射温度 (RTC)

RTC 描述了在反射表面上“反射”并计入测量值的有效环境辐射。当周围环境存在强烈的温度对比(例如发热的机器、散热器和人员),且被测表面具有反射性时,RTC 尤其重要。

测量距离/IFOV 和对焦

一个像素始终代表一个角度范围。如果被测物体成像过小(距离过远或光学系统的视角过大),就会产生由物体和背景组成的混合像素。此外,对焦错误会导致温度信息“模糊”,使测量点不稳定。

实际示例:热点为何有时会“移动”

电气热成像中有一种典型误解:改变观察角度后,热点似乎发生了移动。常见原因包括光亮表面的反射(ε/RTC 不匹配)、视角改变、距离不同(IFOV)或焦点未准确对准目标。实用提示:进行对比测量时,应始终记录距离,保持相近视角并使用一致的色标。

热图中的热点

后续步骤:避免测量误差、选择应用并选定设备

了解其工作原理后,通常可以进行以下步骤:(1) 深入了解测量参数和典型误差来源;(2) 选择应用并考虑边界条件;(3) 根据物体尺寸和工作距离选择合适的热像仪/光学系统。

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