紅外線基本原理

自然界中的一切物體，只要它的溫度高於絕對溫度(-273℃)就存在分子和原子無規則的運動，其表面就不斷地輻射紅外線。紅外線是一種電磁波，它的波長範圍為0.75 ~ 1000um，不為人眼所見。紅外成像設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：紅外成像設備只能反映物體表面的溫度場。

一． 紅外輻射的發射及其規律

（一） 黑體的紅外輻射規律

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於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(吸收率不等於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律是紅外線研究及應用的基礎，它揭示了黑體發射的紅外熱輻射隨溫度及波長變化的定量關係。

下面，我著重介紹其中的三個基本定律。

1． 輻射的光譜分佈規律-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向整個半球空間發射的輻射功率(簡稱為光譜輻射度)Mλb (T)與波長λ、溫度T滿足下列關係：

Mλb (T)=C1λ-5[EXP(C2/λT)-1]-1 式中

C1-第一輻射常數，C1=2πhc2=3.7415×108w·m-2·um4

C2-第二輻射常數，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，介紹起來比較抽象，這裏就不仔細講了。

2． 輻射功率隨溫度的變化規律-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。

斯蒂芬-玻耳茲曼定律表明，凡是溫度高於開氏零度的物體都會自發地向外發射紅外熱輻射，而且，黑體單位表面積發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，就將會引起物體發射的輻射功率很大變化。

那麼，我們可以想像一下，如果能探測到黑體的單位表面積發射的總輻射功率，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。那麼，我們可以想像一下，如果能探測到黑體的單位表面積發射的總輻射功率，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。

3． 輻射的空間分部規律-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於輻射表面法線夾角的余弦成正比。

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律

1． 基爾霍夫定律

物體的輻射出射度M(T)和吸收本領α的比值M/α與物體的性質無關，等於同一溫度下黑體的輻射出射度M0(T)。其表明，吸收本領大的物體，其發射本領大，如果該物體不能發射某一波長的輻射能，也決不能吸收此波長的輻射能。

2． 發射率

實驗表明，實際物體的輻射度除了依賴於溫度和波長外，還與構成該物體的材料性質及表面狀態等因素有關。這裏，我們引入一個隨材料性質及表面狀態變化的輻射係數，則就可把黑體的基本定律應用於實際物體。這個輻射係數，就是常說的發射率，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。

這裏，我們不考慮波長的影響，只研究物體在某一溫度下的全發射率：

ε(T) = M(T)/M0(T)

則斯蒂芬-玻耳茲曼定律應用於實際物體可表示為：

M(T) =ε(T).σT4

 

（三） 發射率及其對設備狀態資訊監測的影響

物體對於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之和必然等於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化為該物體向外發射的輻射能量。由此可斷定，在熱平衡條件下，物體的吸收率必然等於該物體在同溫度下的發射率：

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)

則對於一個不透明的物體ε(T) =1-ρ(T)

根據上式，我們不難定性地理解影響發射率大小的下列因素：

1． 不同材料性質的影響

不同性質的材料因對輻射的吸收或反射性能各異，因此它們 的發射性能也應不同。一般當溫度低於300K時，金屬氧化物的發射率一般大於0.8。

2． 表面狀態的影響

任何實際物體表面都不是絕對光滑的，總會表現為不同的表 面粗糙度。因此，這種不同的表面形態，將對反射率造成影響，從而影響發射率的數值。這種影響的大小同時取決於材料的種類。

例如，對於非金屬電介質材料，發射率受表面粗糙度影響較小 或無關。但是，對於金屬材料而言，表面粗糙度將對發射率產生較大影響。如熟鐵，當表面狀況為毛面，溫度為300K時，發射率為0.94；當表面狀況為拋光，溫度為310K時，發射率就僅為0.28。

另外，應該強調，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(如塗料等)，都會明顯地影響物體的發射 率。

因此，我們在檢測時，應該首先明確被測物體的發射率。在一 般情況下，我們不瞭解發射率，那麼只有用相間比較法來判別故 障。而對於電力設備，其發射率一般在0.85-0.95之間。

3． 溫度影響

溫度對不同性質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

上面我們曾經討論過物體對於給定的入射輻射必然存在著吸收、反射，而當達到熱平衡後，其吸收的輻射能必然轉化為向外發射的輻射能。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他物體的影響。

因此，我們在檢測時，要注意檢測的方向和時間，使其他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，有明顯的選擇性。紅外在大氣中有三個波段區間能基本完全透過，我們稱之為大氣視窗，分為近紅外（0.76 ~ 1.1um），中紅外（3 ~ 5um），遠紅外（8 ~ 14）。

對於電力設備，其大部分的溫度較低，集中在300K ~ 600K(27℃ ~327℃)左右，在這一溫度區間內，根據紅外線基本定律可以推導出，設備發射的紅外輻射信號，在遠紅外8 ~ 14um區間內所占的百分比最大，並且輻射對比度也最大。因此，大部分電力系統的紅外檢測儀器工作在8 ~ 14um的波長之內。

不過，請注意，即使工作在大氣視窗內，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，最好在濕度小於85%以下，距離則越近越好。