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紅外熱像儀的工作原理是什么？福祿克紅外熱像儀告訴你
日期：2026-04-12 19:14
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摘要：
熱像儀的操作以紅外熱像儀的工作原理為基礎。熱像儀通常作為一種開源節流的檢測工具，可用于診斷、維護和檢查電氣系統、機械系統和建筑結構，另外，科學研究和企業研發人員也可以通過熱成像技術攻克各類研究過程中的難題。那么，到底什么是紅外熱成像技術呢？而紅外熱像儀工作原理又是什么呢？就讓福祿克紅外熱像儀來告訴你吧！
紅外熱成像
紅外熱成像是一門使用光電設備來檢測和測量輻射并在輻射與表面溫度之間建立相互聯系的科學。輻射是指輻射能（電磁波）在沒有直接傳導媒體的情況下移動時發生的熱量移動。...
熱像儀的操作以紅外熱像儀的工作原理為基礎。熱像儀通常作為一種開源節流的檢測工具，可用于診斷、維護和檢查電氣系統、機械系統和建筑結構，另外，科學研究和企業研發人員也可以通過熱成像技術攻克各類研究過程中的難題。那么，到底什么是紅外熱成像技術呢？而紅外熱像儀工作原理又是什么呢？就讓福祿克紅外熱像儀來告訴你吧！
紅外熱成像
紅外熱成像是一門使用光電設備來檢測和測量輻射并在輻射與表面溫度之間建立相互聯系的科學。輻射是指輻射能（電磁波）在沒有直接傳導媒體的情況下移動時發生的熱量移動。現代紅外紅外熱像儀的工作原理是使用光電設備來檢測和測量輻射，并在輻射與表面溫度之間建立相互聯系。
人類一直都能夠檢測到紅外輻射。人體皮膚內的神經末梢能夠對低達±0.009°C (0.005°F) 的溫差作出反應。雖然人體神經末梢極其敏感，但其構造不適用于無損熱分析。
例如，盡管人類可以憑借動物的熱感知能力在黑暗中發現溫血獵物，但仍可能需要使用更佳的熱檢測工具。由于人類在檢測熱能方面存在物理結構的限制，因此開發了對熱能非常敏感的機械和電子設備。這些設備是在眾多應用中檢查熱能的標準工具。
紅外線技術的發展歷史
“紅外線”一詞源于“past red”，是超出紅色之外的意思，表示該波長在電磁輻射頻譜中所處的位置。“thermography”一詞是采用同根詞生成的，意思是“溫度圖像”。熱成像的起源歸功于德國天文學家 Sir William Herschel，他在 1800 年使用太陽光做了一些實驗。Herschel 讓太陽光穿過一個棱鏡并在各種顏色處放置溫度計，利用靈敏的水銀溫度計測量每種顏色的溫度，結果發現了紅外輻射。
借助熱像儀，可以輕松檢測到由人手傳遞給墻面的余熱的熱圖像。
Herschel 發現，當越過紅色光線進入他稱為“暗紅熱”區域時，溫度便會升高。“暗紅熱”即是現在人們所說的紅外熱能，處于被稱為電磁輻射的電磁波頻譜區域。
二十年后，德國物理學家 Thomas Seebeck 發現了溫差電效應。在該發現的基礎上，意大利物理學家 Leopoldo Nobili 于 1829 年發明了熱量倍增器（即早期版本的熱電偶）。這種簡單的接觸式設備的工作原理是兩個異種金屬之間的電壓差會隨著溫度的變化而變化。過了不久，Nobili 的合作伙伴 Macedonio Melloni 把熱量倍增器改進為熱電堆（以串聯方式安裝熱量倍增器）并將熱輻射集于熱電堆上，這樣，他可以檢測到 9.1 米（33 英尺）遠處的人類體熱。
1880 年，美國天文學家 Samuel Langley 使用輻射熱檢測儀探測到 304 米(1000 英尺）以外的牛的體熱。輻射熱檢測儀測量的不是電壓差異，而是與溫度變化有關的電阻變化。Sir William Herschel 的兒子 Sir John Herschel 于 1840 年使用名為“蒸發成像儀”的設備制作出**幅紅外圖像。熱圖像是薄油膜的蒸發量差異形成的，可以借助油膜上反射出的光線進行查看。
熱像儀是一種無需與設備直接接觸便可檢測出紅外波長頻譜中的熱圖案的設備。參見圖 1-1。早期型號的熱像儀稱為“光導探測器”。從 1916 年至 1918 年，美國發明家Theodore Case 利用光導探測器做實驗，通過與光子（而不是熱能）直接交互作用產生信號。*終發明了速度更快、更靈敏的光導探測器。20 世紀四十年代和五十年代期間，為了滿足日益增長的**應用領域的需求，熱成像技術不斷演變，取得了長足的發展。德國科學家發現，通過冷卻光導探測器可以提高整體性能。
圖1-1 熱像儀是一種無需與設備直接接觸遍可檢測紅外波長頻譜中的熱圖案的設備。
直到 20 世紀六十年代，熱成像技術才被用于非**應用領域。雖然早期的熱成像系統很笨重、數據采集速度緩慢而且分辨率不佳，但它們還是被用于工業應用領域，例如檢查大型輸配電系統。20 世紀七十年代，**應用領域的持續發展造就了**個便攜式系統。該系統可用于建筑診斷和材料無損測試等應用領域。
20世紀七十年代的熱成像系統結實耐用而且非常可靠，但與現代熱像儀相比，它們的圖像質量不佳。到 20 世紀八十年代初期，熱成像技術已廣泛應用于醫療、主流行業以及建筑檢查領域。經過校準后，熱成像系統可以制作完全的輻射圖像，這樣便可測量該圖像中任意位置的輻射溫度。輻射圖像是指包含圖像內各點處的溫度測量計算值的熱圖像。
**可靠的熱像儀冷卻器經過改進，取代了沿用已久的用于冷卻熱像儀的壓縮氣或液化氣。此外，人們還開發并大量生產了成本較低、基于管道的熱電光導攝像管 (PEV) 熱成像系統。雖然不能進行輻射測量，但 PEV 熱成像系統輕巧靈便、攜帶方便，而且無需冷卻便可操作。
20 世紀八十年代后期，一種稱為焦平面陣列 (FPA) 的新設備從**應用領域轉移至商業市場。焦平面陣列 (FPA) 是一種圖像傳感設備，由位于鏡頭焦平面處的紅外傳感探測器的陣列（通常為矩形）組成。參見圖 1-2。
圖1-2 焦平面陣列（FPA）是一種圖像傳感設備，由位于鏡頭焦平面處的光傳感像素陣列（通常為矩形）組成。
這大大改進了原始的掃描式探測器，從而提高了圖像質量和空間分辨率。現代熱像儀上的典型陣列的像素范圍為：16 × 16 至 640 × 480。從這個角度來說，像素是可以檢測紅外能量的FPA 的*小獨立元素。對于特殊應用場合，陣列的像素可以達到 1000 ×1000 以上。**個數字代表每個垂直列中的像素數，**個數字代表屏幕上顯示的行數。例如，160 × 120 陣列的總像素為 19,200 （160 像素× 120 像素 = 19,200 總像素）。美國福祿克公司*近推出了一款實測紅外像素可以高達2048*1536的專家級熱像儀，達到了商用熱像儀的*高像素級別。
福祿克的專家級熱像儀
自 2000 年以來，使用多個探測器的 FPA 技術的發展不斷加快。長波熱像儀用于檢測8 μm 至 15 μm 波長范圍內的紅外能量。微米 (μm) 是一個長度測量單位，等于 1 毫米（0.001 米）的千分之一。中波熱像儀用于檢測 2.5 μm 至6 μm 波長范圍內的紅外能量。長波和中波熱成像系統均提供**的輻射型號，圖像融合度和熱靈敏度通常為0.03SDgrC (0.054SDgrF) 或更低。
這些系統的成本在過去十年間降低了十倍以上，但質量得到了大幅度提升。此外，用于圖像處理的計算機軟件的應用也有了顯著的發展。現在，幾乎所有商業類型的紅外系統均使用軟件來協助分析和撰寫報告。報告可快速生成并在互聯網上以電子形式發送，或以一種常見格式（例如 PDF）保存，而且還可以刻錄在多種數字存儲設備上。
熱像儀操作
了解熱成像系統的基本操作知識非常有用，因為熱像儀必須在設備的限制范圍內工作，這一點至關重要。這可以更準確地檢測和分析潛在的問題。熱像儀旨在檢測目標所放出的紅外輻射。參見圖 1-3。目標是指使用熱像儀進行檢查的物體。
圖1-3 目標是指使用熱像儀進行檢查的物體。熱像儀旨在檢測目標所發出的紅外輻射。
紅外輻射通過熱像儀的光學鏡片聚焦于探測器，從而引起反應，通常是電壓或電阻的變化，該變化由熱成像系統中的電子元件讀取。熱像儀產生的信號將轉換成電子圖像（溫度記錄圖）并顯示在屏幕上。溫度記錄圖是經過電子處理后顯示在屏幕上的目標圖像，在該圖像中，不同的色調與目標表面上的紅外輻射分布相對應。在這個簡單的過程中，熱像儀可以查看與目標表面上發出的輻射能量相對應的溫度記錄圖。
熱像儀組件
典型的熱像儀由多個常用組件組成，包括鏡頭、鏡頭蓋、顯示屏、探測器和處理電子元件、控件、數據存儲設備、配有手帶的把柄以及數據處理和報告制作軟件。這些組件因熱成像系統的類型和型號而異。參見圖 1-4。
圖1-4 典型的熱像儀由多個常用組件組成，包括鏡頭、鏡頭蓋、顯示屏、控件和配有手帶的把柄。
熱像儀通常都帶有一個便攜包，用于放置熱像儀、軟件及現場使用的其它相關設備。
鏡頭。熱像儀至少配有一個鏡頭。熱像儀鏡頭可以捕獲紅外輻射并使之聚焦于紅外探測器上。探測器將作出反應并生成電子（熱）圖像或溫度記錄圖。熱像儀鏡頭用于采集傳入的紅外輻射并使之聚焦于探測器上。大多數長波熱像儀的鏡頭包含鍺 (Ge)薄層增透膜，可以改善鏡頭的透光能力。
顯示屏。熱圖像顯示在熱像儀的液晶顯示屏 (LCD) 上。LCD 顯示屏必須足夠大，而且足夠清晰，以便在各種場合的不同光線條件下輕松查看圖像。此外，顯示屏通常還會提供其它信息，例如電池電量、日期、時間、目標溫度（以°F、°C 或°K 為單位）、可見光圖像以及與溫度有關的色譜鍵。參見圖 1-5。
圖1-5 熱像圖顯示在熱像儀上的液晶屏（LCD）上。
探測器和處理電子元件。探測器和處理電子元件用于將目標處理成為有用的信息。目標發出的熱輻射將聚焦于探測器（通常是電子半導體材料）上。熱輻射可使探測器作出可測量的反應。該反應在熱像儀中經過電子處理，形成熱圖像，并顯示在熱像儀的顯示屏上。
控件（操作菜單）。控件用于執行各種電子調整，以優化顯示屏上的熱圖像。可以對溫度范圍、熱跨度和級別、調色板和圖像融合度等變量執行電子調整。此外，還可以對輻射率和反射背景溫度執行調整。參見圖 1-6。近幾年已出現觸摸屏熱像儀實現所有操控。
圖1-6 借助控件，可以對變量（例如溫度范圍、熱跨度和級別和其它設置）執行電子調整。
數據存儲設備。包含熱圖像和相關數據的電子數字文件存儲在各類電子記憶卡或存儲器以及傳輸設備中。許多紅外成像系統還允許存儲補充語音或文字數據以及通過集成的可見光攝像機采集的相應可見光圖像。
數據處理和報告制作軟件。與大多數現代熱成像系統配合使用的軟件不僅功能強大，而且容易使用。數字熱圖像和可見光圖像可以導入個人計算機中，然后在此處通過各種調色板顯示，而且還可以進一步調整所有輻射參數和分析功能。之后，經過處理的圖像將**入報告模板中，或者發送至打印機、以電子形式存儲或者通過互聯網發送給客戶。福祿克紅外熱像儀使用的是SmartView紅外分析軟件。