案例分享
Case Sharing
何謂熱影像儀? 應用場景? What is a thermal imager? Application scenarios?
- 熱影像儀
- 2023-12-31
紅外線熱成像原理與應用探索
紅外線熱像儀(Infrared Thermal Imager、Thermal Camera或thermography)是一種高效的非接觸式感測器，運用紅外線輻射原理來準確測量物體的表面溫度。由於非接觸的特性，這種感測器量測過程對待測物無任何影響，且擁有較長的使用壽命和低維護的優勢。其設計對快速移動的物體用有較高響應時間，使得紅外線熱成像感測器成為及時溫度監控的最佳選擇。
紅外線熱成像感測器可用於熱影像儀、單點紅外線測溫儀、高溫計及比率式高溫計等。這些溫度感測器根據特定的工作波長，能夠適用於各種不同的測量場景。選擇合適的紅外線熱成像產品，主要取決於用戶是否需要精確獲取特定物體的溫度，或是測得一個場所或物體區域的溫度分佈。
紅外線工作原理
紅外線感測器的工作原理基於一個事實：每個高於絕對溫度零度的物體都會發出紅外線輻射。物體發出的輻射能量與其溫度成正比關係。在高溫計中，光學元件捕捉這些能量，並將其聚焦至感測器元件上，從而產生與輻射能量成比例的電信號。這些信號經過處理和放大後，能夠被直接轉換成溫度讀數。這些數據可以在裝置上直接讀取，也可以透過溫度數據記錄器、便攜式數據採集設備，或無線溫度記錄器來遠程捕捉。
普朗克輻射定律描述黑體如何將光譜輻射到空間的框架，這一過程取決於物體的溫度和波長。為了這個概念，這個公式被史蒂芬-玻爾茲曼定律(Stefan-Boltzmann Law)所簡化，從而建立了感測器電信號（U）與物體溫度（T）之間的直接關聯。
物體的發射率（ε）是一個關鍵參數，它直接影響到物體溫度的測量準確性。理想的黑體物體發射率為1，意味著它能夠發射所有接收到的紅外線能量。在現實中，大多數物體的發射率都小於1，這表示它們發射的紅外線能量少於黑體。
紅外線熱成像儀選擇
選擇合適的紅外線熱成像技術首先需要深入了解待測物體的特性。此步骤至關重要，因為它確保了所選感測器在最低測量誤差的波長範圍內進行操作。
使用者也應考慮待測物體的尺寸，以確保物體能適合的測量範圍。如果想要測量小物體，使用測量光斑尺寸較小的單點紅外線高溫計。因為小物體的表面溫度是均勻的。然而，如果使用者想要測量大型物體，需要決定是否有需要物體的表面溫度分佈以進行熱點和冷點辨識。後者的測量可以透過熱成像相機更好地進行。
金屬
金屬和熱發光金屬表現出大量的輻射能量，可以在接近可見光的光譜範圍內測量。因此，測量金屬材料的溫度應在金屬表現出相對較高發射率的光譜波長下進行，以盡量減少測量誤差。最佳波長通常為 0.8 到 1 µm。
塑膠
對於塑膠材料，當在塑膠透射率可忽略不計的波長下進行測量時，可以獲得最佳結果。還應考慮塑膠的厚度，因為薄材料比厚塑膠更具透射性。最佳波長範圍可以透過測試塑膠材料來確定。對於薄塑料，波長在 3.43 µm 之間；對於較厚的塑料，波長可以在 8 到 14 µm 之間。
玻璃
使用紅外線熱成像感測器測量玻璃溫度需要仔細選擇波長範圍，以方便測量不同層玻璃的溫度表面。一般來說，1 µm 至 3.9 µm 的較短波長適合測量較深層的溫度。對於表面溫度，建議使用 5 µm 的工作波長。如果玻璃溫度夠低，可以考慮 8 至 14 µm 之間的波長。但玻璃發射率應調整至0.85左右以補償反射。
