红外热像检测技术的发展与现状研究

任国仲 张中兴 赵冠宗

摘 要：红外热像检测技术在军事以及工业方面有广泛的应用，在生产过程中具有重要的地位，本文对红外热成像技术进行了介绍，并对技术的发展历史和国内外研究现状进行了概括。

关键词：红外热像；检测技术；发展；研究现状

1 引言

红外热成像技术本质上是一种波长转换技术，可将红外辐射图像转换为视图。通过光学机械扫描系统，将来自物体的红外辐射会聚到红外探测器，形成红外热像，以区分被测物体的表面温度。该技术具有检测速度快，无接触，范围宽，精度高，易于实现自动化和实时观察等优点，从20世纪80年代初开始从军事领域引入并逐步引入民用工业。此后，随着红外热像仪性能的不断提高和相应图像分析处理软件的发展，该技术在工农业生产和人们生活等各个领域得到越来越广泛的应用。从中华人民共和国成立初期开始，红外热像技术的研究已经开始，一部分已经启动。例如，我们自己开发了许多类型的红外热像仪。但由于国外关键技术的封锁，中国在这一领域的研究与发达国家之间仍存在一定的差距。相对于传统的常规检测技术而言红外热成像技术具有如下特点：

①广泛的适用性：温度是物体的基本状态参数之一，而采集到的红外热像实质是物体表面的温度云图，因此，红外热像检测技术可以对任何物体进行检测，具有广泛的适用性；

②非接触性：这是红外热像检测独特优势所在。红外热成像检测技术通过捕捉物体热辐射产生的信号，经处理后呈像，无需接触待测物体，因此，可以对一些特殊物体进行检测，例如高危险物体或运动状态的物体。这对于温度检测水平的提高具有重要意义；

③测试温度范围广：凡是温度高于绝对零度的物体都会产生红外辐射能，因此可以说红外热成像检测技术可以对目前已知的一切物体进行检测；

④无测温热惯性，红外热像检测可以对热容量过导热系数极小的材质进行检测；

⑤红外热成像通常以灰色或彩色云图像的形式输出。因此，测试结果更加直观，每个点的温度值读取更加方便，并且在热图像中还有大量与测量设备相关的其他信息；

⑥它可以进行较快速的实时测量，同时，可以对较大范围的唯独变化进行快速响应，对于温度变化的瞬态研究具有重要意义；

⑦数字输出信号便于计算机处理和自动化。

基于红外热成像检测技术的诸多优势，红外热像仪得以广泛应用并迅速发展，得到了诸多领域的认可，被认为是发展前景最广阔的无损检测技术之一，其主要发展方向为微型化，便捷化和经济化。在上世纪末，红外热像检测技术以其鲜明的特点在飞机机身无损检测中挫败超声检测等诸多检测技术。此后，红外热像检测技术更是被应用到航空航天领域，美国NASA将其作为航天飞机的监控检测技术。

2 国内红外热像检测技术的发展

由于红外热成像技术在测量温度相关变化方面具有非常大的优势，在红外热像技术被发明的时候就引起了国内外研究人员的密切注意，并对其进行了深入的研究。国内外的科研人员对红外热成像技术的研究呈现逐年稳步增长的趋势。根据论文发表数量分析其具体原因发现，由于很多高新技术会议如第九届全国光伏技术学术交流会，第二届中国科学院博士后学术会议和高新技术与发展迎接无损检测新技术等促进了学者之间的交流沟通，进一步激发了科研人员对红外热像技术研究的热情。从国内外的研究现状还可以发现，红外热像技术在安全科学和防灾控制领域的应用研究虽然起步很早，但是由于种种原因研究的却很少，主要还是对安全科学和研究这个领域的专业人才和机构缺乏一定的重视。对于红外热成像技术最突出的研究是电力工业，电力是人类开展项目的生命线，由于电力领域红外热像探测技术关乎每个项目的正常运行，所以，我国在红外成像技术方面的研究有很大的资金投入。

到目前为止，我国的各行各业对红外热像检测技术已经有了成熟的应用，比如在电力电子、石油冶金等方面。电力行业是我国对红外热成像检测技术应用最早、研究最深的行业领域，红外热成像技术主要应用在电力设备接头以及裸露载流导体热状态的不停机检测。

另外，红外热像检测技术也应用在其他领域。例如电子领域，检测电子线路；建筑领域，房屋的保温效果评价等方面。并且，国内学者对于新型红外热像检测方法同时进行了研究。汤慧君首先研究脉冲红外热像法的机理，基于不同因素对热流传播作用，尤其是对缺口位置（包括其深度及尺寸）、试件的尺寸等参数对热流传播的作用机理，导出检测灵敏度的最适概念，武翠琴等根据闪光灯对玻璃纤维夹杂试件进行不同方式的加热，并且对缺口进行了分析探讨；郭杏林等对锁相红外热像检测过程进行了数值模拟分析，结果揭示了频率对检测的作用机理，此外并对实验进行了证明；赵延广等对复合材料网格加筋结构的几种典型缺口进行分析研究，根据锁相红外热像检测的方法，揭露了主要的影响因素是加载频率、输出电压偏移量及两者之间的关系；田裕鹏等根据铝合金和聚合物两种典型的金属和非金属试件的特性，利用脉冲相位热成像检测的实验，研究其亚表面缺陷；面临的超声热像检测法存在的问题，徐维超通过理论与实验相结合的方法，对裂纹缺陷检测的影响因素，主要包括超声发射器与试件间的压力、超声波能量（对应超声波振幅）和超声波激励时间等因素进行讨论。现在，更多的学者和单位对新型红外热像检测技术进行分析探讨，据此发表多篇文献，对该方法进行说明阐述。

3 国外红外热像检测技术的发展

最早应用红外技术的行业是军事行业。二战中德国军队首先为士兵配备多种设备，包括红外通讯和夜视等。但是红外技术在全球成功应用并普及的标志是瑞典AGA 公司在1964年进行的无损检测技术。发达国家经济充足，对此领域投入较大，故发展较为迅猛，尤其是美国等国。这些国家研究出的红外技术广泛应用于航空航天、电力电子、石化冶炼等行业。目前美国是红外技术研究领头的国家，它包含了全球很多红外设备的供应厂，而且以很快的速度研究了红外热像检测技术，并加以应用在各个行業领域中。此外还对ASNT、ASTM 等标准进行规定以及制备各种红外操作说明书和人员训练体系。按红外热像检测技术的检测方式来说，分为两类，主动式（Active thermographic testing）和被动式（Passivethermographic testing）。在1930年，最基本的检测思想轮廓就已经成型，知道20 世纪60 年代Green 和Alzofon第一次针对主动式红外热像检测技术提出该方向的研究理论和概念。而根据他们的研究，后来世界上各国的研究学者对红外热像无损检测与评估技术进行深入的探讨与研究。但是检测成本、检测精度等方面的缺点，导致了红外热像无损检测早先主要应用于军事领域，例如检验发动机喷管胶接质量，以及通油管道的泄露检查等。

在此部分主要分析研究了红外技术进行检测应用在其他领域方面的可能性，相对于其他检测方法（如超声、X 射线检测等）来说，并没有从根本上揭露红外热像检测技术的先进性，因为那时候的发展比较缓慢，红外热像检测技术还不成熟。在1970年以后，国外学者对于红外热成像技术的研究逐渐与其他领域的理论相结合，Carlslaw做的工作非常典型，他首次将热传导理论引入到了红外成像技术的研究当中。在这个时期，学者们对于这项技术的研究内容主要是围绕均质体进行热传导研究，比较典型的学者有Maldague、Vavilov、D.P.Alomond、Favro等，这些学者在政府相关奖励政策下相继对一维、二维的热传导模型进行了构建并计算出了相关数值解。这些研究成果为红外热像技术上升到理论层次奠定了基础。到了1988左右，随着红外热像仪摄像速度、像素以及灵敏度等的提高，这些技术主要朝着更高的方向发展。随着计算机技术的进一步应用，在20世纪80年代后期涌现出了各种新型红外热像技术，在军事和工业方面得到了广泛的应用。

参考文献：

[1]吕事桂，刘学业.红外热像检测技术的发展和研究现状[J].红外技术，2018，40（03）：214-219.

[2]陈金法.绝缘子红外热像检测及诊断技术研究[D].杭州：浙江大学，2011.