红外热成像仪是通过非接触探测红外能量，并将其转换为电信号，进而在显示器上生成热图像和温度值，并可以对温度值进行计算的一种检测设备。

1）工作原理

比0.78μm长的电磁波位于可见光光谱红色以外，称为红外线或称红外辐射，是指波长为0.78～1 000μm的电磁波，其中波长为0.78～2.0μm的部分称为近红外，波长为2.0～1 000μm的部分称为热红外线。自然界中一切物体都可以辐射红外线，因此利用探测仪测量目标本身与背景间的红外线差，可以得到不同的热红外线形成的红外图像。

图10-10　红外热成像仪成像示意图

现代热成像仪的工作原理是使用光电设备来检测和测量辐射，并在辐射与表面温度之间建立相互联系。所有高于绝对零度（－273℃）的物体都会发出红外辐射。热成像仪利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应（见图10-10）。

由图10-11可知，红外热成像仪接收到的辐射能与物体的温度t、物体表面辐射Wobj、周围辐射源的热辐射Wsur、物体表面的发射率（黑度）ε、大气的传输率（透射率）τ等因素有关。物体的发射率是影响红外热成像仪测温精度的最大不确定因素。发射率受表面条件、形状、波长和温度等因素的影响。要想得到物体的真实温度，必须精确的设定物体的发射率值。

图10-11　红外测温原理

2）热成像仪概况

（1）热成像仪的优点

安全：非接触式检测，适应各种工作环境。

快速：面测量无须逐点扫描，毫秒级反应速度，提高工作效率。

无遗漏：可视化图像显示整体，温度分布，实时发现问题点。

（2）热成像仪的分类

红外探测器分为两类：光子探测器和热探测器。光子探测器在吸收红外能量后，直接产生电效应；热探测器在吸收红外能量后，产生温度变化，从而产生电效应。温度变化引起的电效应与材料特性有关。光子探测器非常灵敏，其灵敏度依赖于本身温度。要保持高灵敏度，就必须将光子探测器冷却至较低的温度。通常采用的冷却剂为斯特林（Stirling）或液氮。热探测器一般没有光子探测器那么高的灵敏度但在室温下也有足够好的性能，因此不需要低温冷却。

（3）热成像仪的技术指标

①热灵敏度／NETD。热像仪能分辨细小温差的能力，它一定程度上影响成像的细腻程度。灵敏度越高，成像效果越好，越能分辨故障点的具体位置。

②红外分辨率。红外分辨率指的是热成像仪的探测器像素，与可见光类似，像素越高画面越清晰越细腻，同时获取的温度数据越多。

③视场角／FOV。探测器上成像的水平角度和垂直角度。角度越大视野越广，如广角镜；角度越小视野越小，如长焦镜。所以根据不同的场合选择合适的镜头也是相当重要的。

④空间分辨率／IFOV。IFOV是指能在单个像素上所能成像的角度，因为角度太小所以用毫弧度mrad表示。IFOV受到探测器和镜头的影响可以发现镜头不变，像素越高，IFOV越小。反之像素不变，视场角越小，IFOV越小。同时，IFOV越小，成像效果越清晰。

⑤测温范围。设备可以测量的最低温度到最高温度的范围，范围内可具有多个温度量程，需要手动设置。尽可能选择能符合要求的小量程进行测试，如果测试60℃的目标，选择－20～150℃的量程会比选择0～350℃的量程，热像图更加清晰。(www.daowen.com)

⑥全辐射热像视频流。保存每帧每个像素点温度数据的视频流，全辐射视频可以进行后期温度变化分析，也可以对每一帧图片进行任意温度分析。

（4）红外热成像仪的主要厂商

常见的红外热成像仪厂家有美国的Flir（C系列、EX系列、EXX系列、T系列以及TG点温仪）、美国Fluke（全优系列、锐智系列、臻享系列和大师之选等系列）、德国的Testo［经济型（基础型、智能型、精密型）和高端红外热成像仪］、德国的Dias［长波（8～14μm）、中波（3～5μm）、短波（0.8～2μm）］等。

表10-5　Dias长波红外扫描热成像仪技术指标

3）热成像仪的使用

根据图10-11可知，被测物体的辐射系数（发射率）、投射窗口的透射率以及反射背景温度补偿对热成像仪的测温精度都有很大的影响，因此在使用红外热成像仪进行温度测量时需要对这些参数进行调整。

（1）背景（反射背景温度补偿）

很热或很冷的物体可能会影响目标或被测物体的表面温度和测量准确度，当被测物体表面辐射系数较低时尤为明显。在许多情况下，调整反射背景温度可以获得更佳的温度测量结果。

（2）透射率／透射度调整

通过透红外窗口（IR窗口）进行红外检查时，目标物体发射的红外能量并未全部有效地透过窗口的光学材料。如果已知窗口的透射率，则可以在热成像仪中调整此百分比。在许多情况下，透射率校正调整可以使温度测量的准确性更高。

（3）辐射系数调节

正确的辐射系数值对热像仪进行最准确的温度测量计算非常重要。表面的辐射系数对热成像仪观察到的表面温度有很大影响。了解受测表面的辐射系数可以（但不总是）用于获得更准确的温度测量结果。辐射系数可以直接设置为值，也可以使用一些常见材料的辐射系数值列表中的值。

一般情况下，用下面几种方法来确定被测物体的发射率。

①绝缘胶带法。将一块绝缘胶带（已知发射率）贴于被测物体表面，通过调整红外热成像仪发射率，使被测材料表面的温度与贴有绝缘胶带表面温度相同或接近，此时的发射率即为被测材料物体正确的发射率。

建议使用3M黑色电气绝缘胶带，牌号1712，发射率为0.93。此种方法适用于被测目标相对比较大、温度较低（小于80℃）、要求测试后不改变原目标表面状况的场合，如各种散热模块、光洁芯片（较大）表面、金属表面等。应尽量使胶带与被测目标的表面接触紧密，没有气泡或褶皱等现象，需要预留5 min以上时间，使被测目标表面与胶带充分达到热平衡。

②喷漆法。将漆（已知发射率）均匀喷涂在被测物体表面，然后通过调整红外热成像仪发射率，直到没有喷漆的表面温度与喷漆表面温度相同或接近，此时的发射率即为目标物体正确的发射率。

建议使用保赐利自动喷漆丙烯酸树脂，发射率为0.97。此种方法可以适用于温度较高目标，也可以使用目标尺寸较小的，但可以接受被测物体表面状况被改变的场合，如设备维护场合下的管道、阀门等静设备；制造业中较小的芯片表面、管脚、不规则的散热片、电容器顶端、LED芯片（表面镀银）。应尽量使喷漆面均匀且薄（但要覆盖住被测目标表面），同时要给客户说明，喷涂后的目标可能会留有残留；建议使用者喷涂3 min后，再进行测试。

③涂抹法。用水性白板笔（已知发射率）均匀涂抹在被测物体表面，然后通过调整红外热成像仪发射率，直到没有涂抹的表面温度与涂抹表面温度相同或接近，此时的发射率即为目标物体正确的发射率。

建议使用黑色晨光水性白板笔，牌号MG-2160，发射率为0.95。此方法可以适用于不允许改变物体表面状态（涂抹后可擦去），同时形状不适合进行胶带粘贴的目标，涂抹法可针对较小的目标进行，但目标表面温度不宜超过100℃。应尽量使涂抹面均匀，建议使用者涂抹3 min后，待目标表面热平衡后再进行测试。白板笔不能是油性笔，否则干后很难擦去。

④接触温度计法。用接触式温度计，如热电偶、热电阻等直接测量物体表面温度，然后通过调整红外热成像仪发射率，直到热成像仪所测得的表面温度与接触式接触式温度计测得的表面温度相同或接近，此时的发射率即为目标物体正确的发射率。

该法测量方便，但需注意现场是否允许进行表面接触测温（特别是带电、运动等现场）。应使热电偶与被测目标表面接触良好，同时要求测试的数据必须是温度稳定后的数据。