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紅外線的基本工作原理
點(diǎn)擊次數(shù)：4418 發(fā)布時(shí)間：2012-7-24
自然界中的一切物體，只要它的溫度高于*溫度（-273℃）就存在分子和原子無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，其表面就不斷地輻射紅外線。紅外線是一種電磁波，它的波長范圍為0.78 ~1000um，不為人眼所見。紅外成像設(shè)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(shè)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(shè)備只能反映物體表面的溫度場。
對(duì)于電力設(shè)備，紅外檢測與故障診斷的基本原理就是通過探測被診斷設(shè)備表面的紅外輻射信號(hào)，從而獲得設(shè)備的熱狀態(tài)特征，并根據(jù)這種熱狀態(tài)及適當(dāng)?shù)呐袚?jù)，作出設(shè)備有*及故障屬性、出現(xiàn)位置和嚴(yán)重程度的診斷判別。
為了深入理解電力設(shè)備故障的紅外診斷原理，更好的檢測設(shè)備故障，下面將初步討論一下電力設(shè)備熱狀態(tài)與其產(chǎn)生的紅外輻射信號(hào)之間的關(guān)系和規(guī)律、影響因素和DL500E的工作原理。
一．紅外輻射的發(fā)射及其規(guī)律
所謂黑體，簡單講就是在任何情況下對(duì)一切波長的入射輻射吸收率都等于1的物體，也就是說全吸收。顯然，因?yàn)樽匀唤缰袑?shí)際存在的任何物體對(duì)不同波長的入射輻射都有一定的反射（吸收率不等于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(guī)律是紅外研究及應(yīng)用的基礎(chǔ)，它揭示了黑體發(fā)射的紅外熱輻射隨溫度及波長變化的定量關(guān)系。
下面，我著重介紹其中的三個(gè)基本定律。
1．輻射的光譜分布規(guī)律-普朗克輻射定律
一個(gè)*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(nèi)向整個(gè)半球空間發(fā)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(guān)系：
Mλb（T）=C1λ-5[EXP（C2/λT）-1]-1
式中C1-*輻射常數(shù)，C1=2πhc2=3.7415×108w·m-2·um4
C2-第二輻射常數(shù)，C2=hc/k=1.43879×104um·k
普朗克輻射定律是所有定量計(jì)算紅外輻射的基礎(chǔ)，介紹起來比較抽象，這里就不仔細(xì)講了。2． 輻射功率隨溫度的變化規(guī)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(gè)半球空間發(fā)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(guī)律。因此，該定律為普朗克輻射定律對(duì)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(shù)。
斯蒂芬-玻耳茲曼定律表明，凡是溫度高于開氏零度的物體都會(huì)自發(fā)地向外發(fā)射紅外熱輻射，而且，黑體單位表面積發(fā)射的總輻射功率與開氏溫度的四次方成正比。而且，只要當(dāng)溫度有較小變化時(shí)，就將會(huì)引起物體發(fā)射的輻射功率很大變化。
那么，我們可以想象一下，如果能探測到黑體的單位表面積發(fā)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(chǔ)。
3．輻射的空間分部規(guī)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(qiáng)度與觀測方向相對(duì)于輻射表面法線夾角的余弦成正比，如圖所示
Iθ=I0COSθ
此定律表明，黑體在輻射表面法線方向的輻射zui強(qiáng)。因此，實(shí)際做紅外檢測時(shí)。應(yīng)盡可能選擇在被測表面法線方向進(jìn)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(hào)將減弱成法線方向zui大值的COSθ倍。
1．基爾霍夫定律
物體的輻射出射度M（T）和吸收本領(lǐng)α的比值M/α與物體的性質(zhì)無關(guān)，等于同一溫度下黑體的輻射出射度M0（T）。其表明，吸收本領(lǐng)大的物體，其發(fā)射本領(lǐng)大，如果該物體不能發(fā)射某一波長的輻射能，也決不能吸收此波長的輻射能。
2．發(fā)射率
實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)際物體的輻射度除了依賴于溫度和波長外，還與構(gòu)成該物體的材料性質(zhì)及表面狀態(tài)等因素有關(guān)。這里，我們引入一個(gè)隨材料性質(zhì)及表面狀態(tài)變化的輻射系數(shù)，則就可把黑體的基本定律應(yīng)用于實(shí)際物體。這個(gè)輻射系數(shù)，就是常說的發(fā)射率，或稱之為比輻射率，其定義為實(shí)際物體與同溫度黑體輻射性能之比。
這里，我們不考慮波長的影響，只研究物體在某一溫度下的全發(fā)射率：
ε（T） =M（T）/M0（T）
則斯蒂芬-玻耳茲曼定律應(yīng)用于實(shí)際物體可表示為：
M（T） =ε（T）.σT4
（三）發(fā)射率及其對(duì)設(shè)備狀態(tài)信息監(jiān)測的影響
物體對(duì)于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之和必然等于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(zhuǎn)化為該物體向外發(fā)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于該物體在同溫度下的發(fā)射率：
α（T）=ε（T）
其實(shí)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(duì)于一個(gè)不透明的物體ε（T）=1-ρ（T）
根據(jù)上式，我們不難定性地理解影響發(fā)射率大小的下列因素：
1．不同材料性質(zhì)的影響
不同性質(zhì)的材料因?qū)椛涞奈栈蚍瓷湫阅芨鳟?，因此它?的發(fā)射性能也應(yīng)不同。一般當(dāng)溫度低于300K時(shí)，金屬氧化物的發(fā)射率一般大于0.8。
2．表面狀態(tài)的影響
任何實(shí)際物體表面都不是*光滑的，總會(huì)表現(xiàn)為不同的表面粗糙度。因此，這種不同的表面形態(tài)，將對(duì)反射率造成影響，從而影響發(fā)射率的數(shù)值。這種影響的大小同時(shí)取決于材料的種類。
例如，對(duì)于非金屬電介質(zhì)材料，發(fā)射率受表面粗糙度影響較小或無關(guān)。但是，對(duì)于金屬材料而言，表面粗糙度將對(duì)發(fā)射率產(chǎn)生較大影響。如熟鐵，當(dāng)表面狀況為毛面，溫度為300K時(shí)，發(fā)射率為0.94；當(dāng)表面狀況為拋光，溫度為310K時(shí)，發(fā)射率就僅為0.28。
另外，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)，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（如涂料等），都會(huì)明顯地影響物體的發(fā)射 率。
因此，我們在檢測時(shí)，應(yīng)該首先明確被測物體的發(fā)射率。在一 般情況下，我們不了解發(fā)射率，那么只有用相間比較法來判別故 障。而對(duì)于電力設(shè)備，其發(fā)射率一般在0.85-0.95之間。
3．溫度影響
溫度對(duì)不同性質(zhì)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。
上面我們曾經(jīng)討論過物體對(duì)于給定的入射輻射必然存在著吸收、反射，而當(dāng)達(dá)到熱平衡后，其吸收的輻射能必然轉(zhuǎn)化為向外發(fā)射的輻射能。因此，當(dāng)我們在一個(gè)變電站中，檢測任意一個(gè)目標(biāo)時(shí)，所檢測出來的溫度，必然還存在著附近其它物體的影響。
因此，我們在檢測時(shí)，要注意檢測的方向和時(shí)間，使其它物體的影響降到zui小。
大氣對(duì)物體的輻射有吸收、散射、折射等物理過程，對(duì)物體的輻射強(qiáng)度會(huì)有衰減作用，我們稱之為消光。
大氣的消光作用與波長相關(guān)，有明顯的選擇性。紅外在大氣中有三個(gè)波段區(qū)間能基本*透過，我們稱之為大氣窗口，分為近紅外（0.76 ~ 1.1um），中紅外（3 ~5um），遠(yuǎn)紅外（8 ~ 14）。
對(duì)于電力設(shè)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(qū)間內(nèi)，根據(jù)紅外基本定律可以推導(dǎo)出，設(shè)備發(fā)射的紅外輻射信號(hào)，在遠(yuǎn)紅外8 ~14um區(qū)間內(nèi)所占的百分比zui大，并且輻射對(duì)比度也zui大。因此，大部分電力系統(tǒng)的紅外檢測儀器工作在8 ~ 14um的波長之內(nèi)。
不 過，請注意，即使工作在大氣窗口內(nèi)，大氣對(duì)紅外輻射還是有消光作用。尤其，水蒸氣對(duì)紅外輻射的影響zui大。因此，在檢測時(shí)，在濕度小于85%以下，距離則越近越好。