红外技术原理

一： 什么是红外?

红外线是指波长介于可见光和微波之间的电磁波，波长范围从760nm到1000um。按波长不同，又可粗略分为：

- 近红外NIR（0.7~1.1um）

- 短波红外SWIR (1.1~3um）

- 中波红外MWIR（3~7um)

- 长波红外LWIR（7~30um）

- 远红外FIR（30~1000um）

虽然人眼无法直接观察到红外线，但自然界的红外线无处不在。太阳光除了紫外和可见光，有超过一半的能量落在红外区间。

各个波段的红外线常对应不同的物理过程，也被应用于不同的场合。例如：

01近红外在波长上接近可见光，但对人眼不可见，可以配合人眼安全的激光进行照明或作为信标，广泛应用于夜视照明和通讯。

02由于物质分子的振动和转动跃迁多对应于近红外和短波红外能量，因此0.9~2.5um的波段常被用于光谱分析，部分气体检测则利用了中波和长波红外能量的分子跃迁。

03任何温度高于绝对零度（-273℃）的物体都会向外发射电磁波，即热辐射。自然界的物体在常温20℃左右时，向外辐射的电磁波能量主要集中在长波红外（~10um），因此长波红外常被用于热成像和非接触测温。

04在高温时，物体热辐射的主要能量往短波方向偏移，因此短波和中波红外可用于高温目标的热成像和非接触测温。

巨哥科技为各行业自动化提供了全波段红外机器视觉方案，包括近红外光谱仪，短波和中波红外相机，长波红外热像仪等。

二：红外光谱分析

红外光谱分析通过检测红外线与分子化学键的相互作用，包括吸收、发射、反射，从而进行物质化学成分分析。红外光谱分析的典型波长范围为900~2500nm，主要反映的是含氢元素的化学基团分子振动的倍频与合频的吸收信息。通过使用标准样品的成分和光谱信息建立校正模型，可以从待测样品的光谱测算出其成分信息。

近红外光谱检测是一种无损、快速的检测手段，对环境无污染，对人体无害，是一种具有广阔应用前景的分析技术。红外光谱仪用于测量样品的透过率、吸收率或反射率光谱曲线，是进行红外光谱分析的主要设备。

巨哥科技的光谱系列产品包括光纤光谱仪、微型傅里叶光谱仪、光谱扫描成像，以及用于珠宝、粮食、纺织品等领域的专用光谱仪。

三：热辐射基本规律与发射率

普朗克定律给出了在任意温度下，黑体发射的电磁辐射能量与波长之间的关系。按普朗克定律，不同温度下的辐射光谱曲线都有一个辐射极大值，随着温度升高，极大值往短波方向移动。

波长与温度的关系可用维恩位移定律表示，即λmaxT=b，式中，b=0.002897m·K，称为维恩常量。另外，在黑体温度升高时，黑体辐射的总能量快速提高，辐射总能量与黑体温度的关系可用斯特潘-玻尔兹曼定律表示为W＝εσT4（w/m2），即黑体辐射的总能量与绝对温度的四次方成正比。

物体的发射率等于吸收率。普朗克定律中的黑体是指对一切波长的入射电磁波都全部吸收的理想物体，即吸收率和发射率都等于1。实际物体对电磁波的吸收效率低于黑体，发射率（ε）定义为物体辐射量与同温度黑体辐射量的比值，介于0~1之间，与材料种类和表面状态等因素相关。不同材料发射率差异很大，如皮肤的发射率为0.98，纸和木头的发射率约为0.95，而金属表面的发射率都很低，如铝箔的发射率约为0.02。发射率对于根据热辐射总能量来测量目标温度的红外热像仪至关重要，直接影响测温结果。

四：大气窗口

在地球上，电磁辐射通过大气时，会受到空气中的气体、固体颗粒的吸收和散射，其强度会衰减，不同波长衰减比例不同。电磁波在大气中的这种选择性衰减类似经过了一个对光谱选择过滤的窗口，称为大气窗口。红外光谱分析、光谱成像、红外热成像、红外温度测量都需要考虑大气窗口的影响。

五：红外热成像和测温

红外热像仪通过感应观测目标发射的红外辐射进行成像和测温。通常红外热像仪都有其确定的感应波段，如一般的非制冷红外热像仪的感应波段是8~14μm。根据普朗克定律，温度越高的物体，其辐射能量峰值波长越短，使用红外测温时需根据观测目标的温度区间，选择对应响应波段的热成像设备。

热像仪中的红外探测器通过收集观测目标在其感应波段区间内的红外辐射能量，通过标定的方式确定目标温度。由于同样温度的目标，其发射的红外能量还受到目标发射率、窗口（包括大气窗口和其他观察窗口）透过率的直接影响，所以红外测温需要进行目标发射率和窗口透过率修正。比色测温使用多个对特定波长响应的红外探测器，通过不同波长的红外信号对比来确定目标温度，可以在大部分场景下不受目标发射率和窗口透过率绝对值的影响。

实际测量时，红外热像仪接收到的有效辐射还包括环境反射辐射和大气辐射，红外热像仪接收到的总辐射可写为：

此外，热像仪自身内部的辐射也对测温造成影响，以上各因素均需建立相应的物理模型以实现精确测温。巨哥科技的精确测温技术采用低温漂电子与热控设计、精确的物理模型和独到的测温算法，无论在极端低温的户外还是极端高温的工业环境下，都保证热像仪在整个工作温度范围内的全像面准确测温。

审核编辑：汤梓红