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人类第六感的“黑科技”——红外热像仪

2017-10-13 14:46 汉堡超人 A+

红外热像仪民用逐步升温

如果你还认为热像仪是高端专业设备,是军用设备,离我们还很遥远,不好意思,你已经out了!我们印象中的热像仪经常出现在某军侦查、航海作业等专业化行动中,而如今,热像仪的应用几乎就遍布我们身边。近些年来,随着手持式红外热像仪的发展和普及,已从军用专业精密 仪器 逐渐转型成便携带、智能化、甚至自带Wi-Fi/云热像的民用普及产品。如果你在为水管哪里漏水、手机或电视屏幕哪有坏点、或是身体哪里有炎症等问题烦心时,可以惊喜地告诉你:手持热像仪,可一站式解决此类问题,还可上传云端进行保存、大数据管理。

同样,诸多行业也在因热像仪的普及而发生着改变:比如,如果消防员有一部手持热像仪,就可以准确判断着火点位置,还可准确发现被困人员所处位置;比如,地震发生时,如果无人机带有热像仪,就可以在第一时间冲过重重阻碍,探明灾区情况,即时发现被困人员,不会再现从前第一批救援人员只能“摸石探路”的情况,耽误最佳救援时间;再比如,小到普通商店或家庭、大到国家,安防系统运用热像仪,就能准确判断是否有不安全因素存在;还比如,生产加工产品过程中,许多用肉眼无法观察、普通仪器有精度限制的检测中,如果有热像仪,那一切问题便“一目了然”。

红外热像仪的应用目前已遍布我们生活的各个角落,从常见的医学成像到就在我们身边的光谱探测,从我们逐渐了解的食品检测到军事所用的雷达建模,从日常最熟悉的安全检查到即将到来的自动驾驶、智慧生活。

FLUKE可视红外测温仪VT02是电工和维护技术人员的检测工具

红外热像仪的工业应用场景

或许你对红外热像仪的工业应用不大熟悉,下面简单介绍红外热像仪在工业自动化中的应用:红外热像仪可在自动化检查、加工过程控制、状态监测、火灾预防和监测,以及连续光学气体成像等五种应用中发挥无可替代的作用。

食品生产线质量控制汽车挡风玻璃除霜检验

控制自动化焊机中管道的定位高压设备的热检验

钢包上的热点显示可能存在故障持续监测仓库

探测废料仓中的火灾风险变压器温度过高

红外热像仪发展潜力巨大,已迎来黄金发展时期

曾经的红外热成像的发展主要由国防应用推动,出来的最新产品也主要应用于军用产品。十年的发展几乎让这一现象遂成往事,如今热成像的广泛应用在消防、PVS、海事、无人机、机器人、智能建筑、智能家居和智慧商店等市场的大规模发展,让红外传感器在商业中的应用前景非常乐观。就热成像市场的领导者FLIR举例,2015年至今三年来,FLIR共出货了100万个Lepton机芯,集成于超过20多种产品中(Lepton是一款为FLIR带来巨大成功的关键红外机芯);同时,FLIR开辟了一条充满智慧的战略,将非制冷红外成像技术针对各种不同的应用引入广泛的产品中,使非制冷红外成像技术获得更广泛的应用,赢得更大的市场。

就国内而言,红外热像行业作为高科技行业,行业发展前景广阔。据不完全统计我国红外热成像技术市场的潜在需求可达500~600亿元,而目前市场状况仅处于起步阶段,到2020年,红外成像市场将增长20%以上。国内如高德红外、大立科技、飒特红外、海康威视等领头企业也在近十年中发展迅猛,新产品新应用紧跟时代步伐。

红外热像仪是如何工作的?

红外热成像是一种可将红外图像转换为热辐射图像的技术,该技术可从图像中读取温度值,是一种无损检测技术。

红外热像仪(Infrared Thermal Imager)则是一种用来探测目标物体的红外辐射,并通过光电转换、电信号处理等手段,将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的高科技产品。

那红外热像仪究竟是如何工作的呢?

1、红外热成像仪的工作范围

在自然界中,只要温度高于绝对零度(-273℃)的物体都能辐射电磁波。红外线是自然界中的电磁波最为广泛的一种存在形式,它是一种能量,而这种能量是我们肉眼看不见的。任何物体在常规环境下都会产生的自身的分子和原子无规则运动,并不停地辐射出热红外能量。

红外热像仪工作波谱

红外线是这些电磁波的一部分,它和可见光、紫外线、X射线、γ射线和无线电波一起,构成了一个完整连续的电磁波谱。如上图所示,波长范围是0.78μm到1000μm的电磁辐射,我们称为红外线辐射。

红外辐射电磁波在空气中传播要受到大气的吸收而使得辐射的能量被衰减,如果吸收的能量过多,就无法使用热像仪进行观察。大气、烟云等吸收红外线也跟红外辐射的波长有关,对于3~5μm和8~14μm的红外线是透明的。因此,这两个波段被称为红外线的“大气窗口”。利用这两个窗口,红外热像仪可以正常的环境中进行观测而不会产生红外辐射衰减的情形。

2、热成像原理

通俗的说,红外热成像是将不可见的红外辐射变为可见的热图像。不同物体甚至同一物体不同部位辐射能力和它们对红外线的反射强弱不同。利用物体与背景环境的辐射差异以及景物本身各部分辐射的差异,热图像能够呈现景物各部分的辐射起伏,从而能显示出景物的特征。热图像其实是目标表面温度分布图像。

3、红外热像仪的组成

红外热像仪的基本工作原理为:红外线透过特殊的光学镜头,被红外探测器所吸收,探测器将强弱不等的红外信号转化成电信号,再经过放大和视频处理,形成可供人眼观察的热图像显示到屏幕上。热像仪由两个基本部分组成:光学系统和探测器。

红外热像仪工作原理示意图

热像仪非常灵敏,能探测到小于0.1°C的温差。例如,FLIR红外热像仪可识别细微至0.02°C的温度变化,拥有先进的探测技术和先进的数学算法,可精确测量-40°C至+2000°C的对象的温度。

4、红外热像仪的分类

* 按照工作温度可分为制冷型/非制冷性

制冷式热成像仪,其探测器中集成了一个低温制冷器,这种装置可以给探测器降温度,这样是为了使热噪声的信号低于成像信号,成像质量更好。

非制冷式热成像仪,其探测器不需要低温制冷,采用的探测器通常是以微测辐射热计为基础,主要有多晶硅和氧化钒两种探测器。

制冷型热成像仪(左)和非制冷型热成像仪(右)成像效果

* 按照功能可分为测温型/非测温型

测温型红外热像仪,可以直接从热图像上读出物体表面任意点的温度数值,这种系统可以作为 无损检测仪器 ,但是有效距离比较短。

非测温型红外热像仪,只能观察到物体表面热辐射的差异,这种系统可以作为观测工具,有效距离比较长。

带温度信息的热图像不带温度信息的热图像

红外热像仪的心脏——红外探测器

红外探测器从探测机理上可分为:红外光子探测器和红外热探测器。

红外探测器的具体分类

1、光子探测器:基本工作原理是探测器吸收目标或背景辐射的光子时,探测器材料的最外壳层电子发生跃迁形成晶体内的自由电子,产生光生电导或光生伏特效应。光电导和光生伏特效应的强弱取决与辐射源的辐射强度和探测器的灵敏度。在整个探测工作过程中,光子探测器的温度基本保持恒定。

2、热探测器:主要是通过吸收红外辐射的能量,使探测器的温度发生变化,引起探测器电阻率或电极性的改变,热探测器电阻率或电极性的改变量同样取决与辐射源的辐射强度和探测器的灵敏度。

3、两类红外探测器对比:由于二者工作机理的不同,这两类探测器显出各自不同的红外响应特性:光子探测器有最佳的响应波长(峰值波长),黑体响应率与峰值响应率之间差异随着探测器响应波段的不同而有很大的不同;而热探测器的响应率随波长的变化几乎是平坦的。因此,热探测器的黑体响应和峰值响应几乎没有什么差别。另一方面,随着探测器工作高温工作的升高,热探测器可比光电探测器具有更高的灵敏度。因此,通常广泛应用于工作温度接近室温场合,被称为“非制冷”探测器。

室温工作的红外探测器举例低温工作的碲镉汞半导体

4、红外热电堆探测器

尽管与其他红外探测器相比,红外热电堆探测器响应灵敏度不高,热响应时间较长,在器件性能方面不具备竞争优势。不过热电堆探测器制作容易与集成电路工艺兼容,信号后处理电路也比较简单,具有低成本的潜力,对红外成像图像质量要求不高的社区保安、安全监控、汽车辅助驾驶领域具有一定的应用前景。因此下面具体为大家介绍一下红外热电堆探测器。

红外热电堆探测器是红外热探测器的一种,热电堆是由许多热电偶串接起来组成的,相比热电偶有更大的输出热电势。早先的红外热电堆探测器是利用掩膜真空镀膜的方法,将热电偶材料沉积到塑料或陶瓷衬底上获得的,但器件的尺寸较大,且不易批量生产。随着微电子技术的蓬勃发展,提出了微电子机械系统(MEMS)的概念,进而发展了微机械红外热电堆探测器。

红外热电堆的工作原理为塞贝克效应(Seebeck Effect):如果两种不同的材料或材料相同逸出功不同的物体A和B,在热结端相连,热结与冷结间存在温度差dT,那么在冷结的两个梁间就会产生开路电势dV。为提高探测器的性能,理想热电偶材料的特征应该是同时具有低热导率、高电导率和高塞贝克系数,但实际上这几个因素间彼此也有影响,由一品质因数Z限定。

塞贝克效应示意图(图中A和B构成一对热电偶)

红外热电堆传感器的应用领域主要有:健康领域(耳温枪、额温枪、 压力传感器 、婴儿恒温箱等)、工业领域(测温枪、复印机、充电过热保护、变电箱等)、安防领域(异常温度筛选等)、家电领域(微波炉、电磁炉、灶具、电吹风、烘干机、电暖气等)、照明领域(LED控制开关)、汽车领域(车内空调及排风等)。

红外热电堆传感器众多的应用领域

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