第七章 红外线轴温探测系统

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1、第七章第七章 红外线轴温探测系统红外线轴温探测系统n红外技术概述红外技术概述 红外辐射基本知识红外辐射基本知识 红外测温基本原理红外测温基本原理n红外线轴温探测系统红外线轴温探测系统7.1 7.1 红外技术概述红外技术概述红外技术是在最近几十年发展起来的一门新兴技术。它红外技术是在最近几十年发展起来的一门新兴技术。它已在科技、国防和工农业生产等领域获得了广泛的应用。红已在科技、国防和工农业生产等领域获得了广泛的应用。红外技术应用可分为以下几方面：外技术应用可分为以下几方面： 红外辐射计，用于辐射和光谱辐射测量；红外辐射计，用于辐射和光谱辐射测量； 搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其

2、搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；空间位置并对它的运动进行跟踪； 热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像，热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像，如红外图像仪、如红外图像仪、 多光谱扫描仪等；多光谱扫描仪等； 红外测距和通信系统；红外测距和通信系统； 混合系统，是指以上各类系统中的两个或多个的组合。混合系统，是指以上各类系统中的两个或多个的组合。7.1.17.1.1 红外辐射的基本知识红外辐射的基本知识 红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线

3、。中红色光以外的光线，故称红外线。 它的波长范围大致在它的波长范围大致在0.761000m mm，红外线在电磁波谱中的，红外线在电磁波谱中的位置位置如图所示如图所示。 工程上又把红外线所占据的波段分为四部分，即近红外、中红工程上又把红外线所占据的波段分为四部分，即近红外、中红外、远红外和极远红外。外、远红外和极远红外。 红外辐射的物理本质是热辐射，一个炽热物体向红外辐射的物理本质是热辐射，一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。 物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。的能量就越

4、强。 红外线的本质与可见光或电磁波一样，具有反射、红外线的本质与可见光或电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光速传播，并具有明显的波粒二象性。速传播，并具有明显的波粒二象性。红外辐射和所有红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的。它在电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的。它在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带，红外线气体分析器就是利用该特性工作的，的吸收带，红外线气体分析器就是利用该特性工作的，空气中对称的双原子气体，如空气中对称的双原

5、子气体，如N2、O2、H2等不吸收等不吸收红外线。红外线。7.1.17.1.1 红外辐射的基本知识红外辐射的基本知识 红外线在通过大气层时，有三个波段透过率高，它们红外线在通过大气层时，有三个波段透过率高，它们是是0.32.6m mm、35m mm和和814m mm，统称为，统称为“大气窗大气窗口口”。如图所示如图所示，为通过一海里长度的大气透过率曲线。，为通过一海里长度的大气透过率曲线。7.1.17.1.1 红外辐射的基本知识红外辐射的基本知识 这三个波段对红外探测技术特别重要，因此红外探这三个波段对红外探测技术特别重要，因此红外探测器一般都工作在这三个波段（大气窗口）之内。测器一般都工作在

6、这三个波段（大气窗口）之内。 能全部吸收投射到它表面的红外辐射物体称为能全部吸收投射到它表面的红外辐射物体称为黑体黑体；能全部反射的物体称为能全部反射的物体称为镜体镜体；能全部透过的物体称为；能全部透过的物体称为透透明体明体；能部分反射、部分吸收的物体称为；能部分反射、部分吸收的物体称为灰体灰体。 严格地讲，在自然界中，不存在黑体、镜体与透明严格地讲，在自然界中，不存在黑体、镜体与透明体。体。7.1.17.1.1 红外辐射的基本知识红外辐射的基本知识1.1.基尔霍夫定律基尔霍夫定律 基尔霍夫定律指出，一个物体向周围辐射热能的同基尔霍夫定律指出，一个物体向周围辐射热能的同时也吸收周围物体的辐射能

7、。如果几个物体处于同一温时也吸收周围物体的辐射能。如果几个物体处于同一温度场中，各物体的度场中，各物体的热发射本领正比于它的吸收本领热发射本领正比于它的吸收本领，这，这就是基尔霍夫定律，可由下式表示就是基尔霍夫定律，可由下式表示 式中，Er为物体在单位面积和单位时间内发射出的辐射能； a为物体的吸收系数； E0为常数，其值等于黑体在相同条件下发射出的辐射能，它是常数。0rEE4.2 4.2 红外辐射的基本定律红外辐射的基本定律2.2.斯忒藩斯忒藩- -玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 物体温度越高，发射的红外辐射能越多，物体温度越高，发射的红外辐射能越多，在单位时间内其单位面积辐射的总能量在单位时间内

8、其单位面积辐射的总能量E为为4TE 式中，T为物体的绝对温度，单位为K； = 5.6710-8W/(m2K4)为斯忒藩-玻尔兹曼常数； 为比辐射率，即物体表面辐射本领与黑体辐射本领的比值，黑体的 = 1。4.2 4.2 红外辐射的基本定律红外辐射的基本定律 3.3.维恩位移定律维恩位移定律 热辐射发射的电磁波中包含各种波长。热辐射发射的电磁波中包含各种波长。实验证明物体实验证明物体峰值辐射波长峰值辐射波长l lm与物体自身的绝与物体自身的绝对温度对温度T成反比。即成反比。即l lm=2897/ /T (m mm) 4.2 4.2 红外辐射的基本定律红外辐射的基本定律 如图所示如图所示给出了不同

9、温度的光谱辐射分布曲线，图中虚线表给出了不同温度的光谱辐射分布曲线，图中虚线表示了由上式描述的峰值波长与温度的关系曲线。示了由上式描述的峰值波长与温度的关系曲线。 由图可知，峰值辐射波长随温度升高向短波方向偏移。当温由图可知，峰值辐射波长随温度升高向短波方向偏移。当温度不很高时，峰值辐射波长在红外区域。如人体温度为度不很高时，峰值辐射波长在红外区域。如人体温度为3637，所辐射的红外线波长为，所辐射的红外线波长为910m mm。4.2 4.2 红外辐射的基本定律红外辐射的基本定律7.1 7.1 红外技术概述红外技术概述我们都知道，车辆在运行时，承重轴承都会由于摩擦而产生热量，轴承正常运转时，它

10、所产生的热量会使其表面的温度趋于稳定值。当轴承内部出现故障时，便会使它的摩擦加剧，温度突升，达到一定程度时，便形成热轴，严重者导致切轴，使运行中的车辆颠覆，给行车带来了重大财产损失。红外轴温探测系统的诞生热轴现象的产生，无疑给铁路行车安全带来很大安全隐患。为了积极避免这一现象给行车安全带来的隐患，多年来，人们一直致力于轴温探测系统的研究中。红外轴温探测系统就是人们研究出来的一种利用红外线进行非接触式的轴温探测方式之一。什么是红外线？n红外线：就是在可见光的红色光谱外端还有一种看不见的辐射线存在，而且具有热效应，人们习惯称之为红外线。它不象紫外线，X射线那样，它是一种很常见辐射线，在自然界当中，

11、只要不是低于绝对零点温度(-273)以下的物体，就具有红外线。n在日常生活中，人们利用红外线的特性，研制了好多有利于人们生活的产品，比如：红外防盗报警器、红外测温仪等等。红外轴温探测系统的发展n红外轴温探测系统的发展大致经历了两个阶段，一代机阶段，限于当时国内红外元件质量和其它电子技术条件，当时红外探头采用热敏电阻和交流放大器，显示部分采用描笔直接记录每个轴温信息，最后由人工判别轴温波形并进行热轴预报。二代机阶段，是在一代机的基础上，融入单板计算机技术为主要特点。二代机的发展n目前，随着计算机技术的飞越发展，二代机红外轴温探测系统也经历了多次更型，功能和探测数据上也逐渐趋于准确完善。n我们哈科