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基于红外热成像的状态监测的实验方法

红外热成像大致可分为两大类,被动和主动。在被动红外热成像中,由于对象本身是热源,因此无需任何外部热刺激即可记录被调查对象的温度。由于皮肤表面温度异常分布可能是疾病的征兆,被动红外热像仪已广泛用于医学领域。另一方面,外部热刺激对于主动红外热成像实验至关重要。根据热刺激的性质,主动红外热成像可以进一步细分为几类,例如脉冲,锁定,脉冲相位等。在脉冲热成像中,使用短时热脉冲作为刺激,并在瞬态域中监控温度的变化。锁定热成像在固定范围内执行,将正弦热波用作刺激。脉冲相位热成像技术是锁定技术和脉冲热成像技术的结合,其中在时域中获取数据,但在傅立叶域中执行相位分析。主动红外热成像技术通常用于各种非破坏性评估(NDE)应用,例如金属复合材料样本中的缺陷量化和防腐涂料的涂层厚度测量。

对于大多数基于红外热成像的状态监视应用程序而言,无源热成像是首选的实验技术,因为实验和数据分析非常简单明了。被动热成像通常用于民用结构的检查,电气部件,机械的监视,在拉伸和疲劳加载过程中的变形监视以及在线焊接质量监视。对于上述应用,不需要外部加热,因为缺陷区域显示为热点,并且在缺陷区域和无缺陷区域之间存在明显的温度差。另一方面,在某些应用中,例如检测焊接缺陷(焊接后)和检查飞机部件的轻质复合结构,需要外部加热以在缺陷区域和无缺陷区域之间产生明显的温差,因此需要进行各种有效的处理。热成像技术用于此类应用,根据要检查的对象的性质,可及性和缺陷的预期特征(例如大小,深度,方向和形状)选择特定的技术。


红外热成像机芯

图为红外热成像


由于通常在车间,工厂现场或恶劣的户外实验条件下进行状态监视实验,因此应采取足够的措施在这些条件下获取可靠的红外热图像。对于准确的红外热成像测量有害的因素可以分为三大类:程序,技术和环境条件。在研究和实验条件下对物体的先验知识可以使感兴趣的物体获得更好的红外热成像图像。例如,据报道,由于摄像机视角的限制,在进行拉伸测试时,圆柱形试样可能会在温度测量中产生误差。感兴趣的技术因素是被调查对象的发射率,摄像机到对象的距离以及负载电流变化(在检查电气设备的情况下)。发射率值在确定物体的正确温度方面起着重要作用,必须谨慎选择正确的发射率值。在正常的日常状况监视实践中,由于温度和光谱的发射率依赖性不大,因此将其排除在外。如果可能,要检查的物体应涂有黑色涂料(高发射率值:e = 0.98),以增强表面发射率。例如,在承受拉伸和疲劳载荷或焊后缺陷检测应用的情况下,样品会涂有黑色涂料。报告说,了解各种温度下的建筑材料(如灰泥,大理石和多孔石头)的发射率值将减少土木结构温度测量的误差。

在基于红外热成像的某些集成电路(IC)的金属化顶表面检查中,温度测量会由于金属组件的低发射率值而受到影响。为了避免发射率问题,仅考虑塑料或陶瓷部分的温度。开发了一种新的发射率校正方法,该方法基于对红外热像仪输出信号的直接处理。环境条件还以各种方式影响红外热成像测量,例如周围空气温度的升高会导致被测物体的测得温度升高,而湿度,雨水或雪会降低测得的温度值。风流和太阳直接辐射也会影响物体的测得温度值。研究表明,除了发射率外,土木结构的温度还取决于环境温度和相对湿度。由于表面温度的剪切作用,强风会降低民用建筑温度监测的有效性。使用红外热成像进行民用建筑温度监测时,必须避免屋顶,有机玻璃和玻璃材料上积水。通常,在日落之后对大型土木结构进行基于红外热成像的温度监控,以避免直接的太阳辐射的影响,并在缺陷区域和无缺陷区域之间获得可观的温差。如前所述,选择长波红外热像仪也将有利于减少白天操作期间直接太阳辐射的不利影响。仔细选择实验条件以及有效的数据分析程序可以在基于红外热成像的温度测量中提高准确性,从而减少误报和突发故障。


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