紅外基本原理介紹

??? 自然界中的一切物體，只要它的溫度高于絕對(duì)溫度(-273℃)就存在分子和原子無(wú)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(zhǎng)范圍為0.78 ~ 1000um，不為人眼所見。紅外成像設(shè)備就是探測(cè)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(chǎng)，即溫度場(chǎng)。
注意：紅外成像設(shè)備只能反映物體表面的溫度場(chǎng)。

??? 對(duì)于電力設(shè)備，紅外檢測(cè)與故障診斷的基本原理就是通過(guò)探測(cè)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)備有無(wú)故障及故障屬性、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(cè)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

（一） 黑體的紅外輻射規(guī)律

所謂黑體，簡(jiǎn)單講就是在任何情況下對(duì)一切波長(zhǎng)的入射輻射吸收率都等于1的物體，也就是說(shuō)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(zhǎng)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(lái)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(zhǎng)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)絕對(duì)溫度為T(K)的黑體，單位表面積在波長(zhǎng)λ附近單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)向整個(gè)半球空間發(fā)射的輻射功率(簡(jiǎn)稱為光譜輻射度)Mλb (T)與波長(zhǎng)λ、溫度T滿足下列關(guān)系：
Mλb (T)=C1λ-5[EXP(C2/λT)-1]-1
式中C1-第一輻射常數(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(lái)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(zhǎng)的總輻射功率Mb(T)(簡(jiǎn)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(zhǎng)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(cè)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(cè)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(cè)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最強(qiáng)。因此，實(shí)際做紅外檢測(cè)時(shí)。應(yīng)盡可能選擇在被測(cè)表面法線方向進(jìn)行，如果在與法線成θ角方向檢測(cè)，則接收到的紅外輻射信號(hào)將減弱成法線方向最大值的COSθ倍。

（二） 實(shí)際物體的紅外輻射規(guī)律

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(wú)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(zhǎng)的輻射能，也決不能吸收此波長(zhǎng)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(zhǎng)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(shuō)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(zhǎng)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(cè)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栈蚍瓷湫阅芨鳟悾虼怂鼈?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)際物體表面都不是絕對(duì)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(wú)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(rùn)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?cè)跈z測(cè)時(shí)，應(yīng)該首先明確被測(cè)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(lái)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(cè)過(guò)程中注意。

（四） 物體之間的輻射傳遞的影響

上面我們?cè)?jīng)討論過(guò)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?cè)谝粋€(gè)變電站中，檢測(cè)任意一個(gè)目標(biāo)時(shí)，所檢測(cè)出來(lái)的溫度，必然還存在著附近其它物體的影響。
因此，我們?cè)跈z測(cè)時(shí)，要注意檢測(cè)的方向和時(shí)間，使其它物體的影響降到最小。

（五） 大氣衰減的影響

大氣對(duì)物體的輻射有吸收、散射、折射等物理過(guò)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(zhǎng)相關(guān)，有明顯的選擇性。紅外在大氣中有三個(gè)波段區(qū)間能基本完全透過(guò)，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)所占的百分比最大，并且輻射對(duì)比度也最大。因此，大部分電力系統(tǒng)的紅外檢測(cè)儀器工作在8 ~ 14um的波長(zhǎng)之內(nèi)。

不 過(guò)，請(qǐng)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)紅外輻射的影響最大。因此，在檢測(cè)時(shí)，最好在濕度小于85%以下，距離則越近越好。