|
|
 |
技術(shù)文章 |
 |
|
紅外檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展 |
發(fā)布日期：[2016-08-15] 共閱[5849]次 |
紅外線是一種波長(zhǎng)范圍大致在0.78μm～1000μm頻譜范圍內(nèi)的電磁輻射波。任何溫度高于零度（-273.15℃）的物體，都會(huì)向外部空間以紅外線的方式輻射能量。物體溫度越高則向外輻射的能量越多。
所謂紅外檢測(cè)技術(shù)，是指利用紅外線的物理性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)相關(guān)物理量測(cè)量的檢測(cè)技術(shù)。紅外檢測(cè)具有高靈敏度、高穩(wěn)定性和較強(qiáng)的抗干擾性等優(yōu)點(diǎn)，zui初主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的制導(dǎo)、偵察、搜索、預(yù)警、探測(cè)、跟蹤、全天候前視和夜視、武器瞄準(zhǔn)等。20世紀(jì)70年代后，由于紅外檢測(cè)器件發(fā)展迅猛、生產(chǎn)成本下降，加之民用市場(chǎng)的需求，使得軍事紅外技術(shù)逐步向民用轉(zhuǎn)化，紅外檢測(cè)技術(shù)開始應(yīng)用于電力設(shè)備的故障檢測(cè)、可燃或有毒氣體成分分析、礦產(chǎn)資源勘探、氣象監(jiān)測(cè)等。近年來，紅外檢測(cè)是發(fā)展zui快的技術(shù)之一，紅外傳感器目前已廣泛應(yīng)用于航空航天、天文、氣象、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、交通和民用等眾多領(lǐng)域，在日常工作和生活中起著不可替代的重要作用。
以下從應(yīng)用較多的紅外測(cè)溫、紅外成像、紅外氣體成分分析等方面對(duì)紅外檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)介紹。
紅外測(cè)溫
紅外測(cè)溫有多種方法， 其中較常用的是按照斯蒂芬-玻爾茲曼定律（物體紅外輻射的強(qiáng)度與物體的溫度和輻射率相關(guān)）制成的紅外溫度計(jì)。該類紅外溫度計(jì)主要由光學(xué)系統(tǒng)、紅外傳感元件、調(diào)制單元、指示單元等部分構(gòu)成。適用于對(duì)高速運(yùn)動(dòng)物體、帶電物體、腐蝕介質(zhì)、高溫或高壓物體或介質(zhì)溫度的遠(yuǎn)距離和非接觸測(cè)量。具有響應(yīng)速度快（毫秒級(jí)，甚至微秒級(jí)），測(cè)溫靈敏度高，不會(huì)破壞實(shí)測(cè)對(duì)象原先溫度場(chǎng)分布狀況，測(cè)出溫度失真較小，測(cè)溫范圍非常廣泛（從攝氏零下幾十度到零上幾千度的溫度）等顯著優(yōu)點(diǎn)。
圖1為美國(guó)LumaSenser技術(shù)公司于2014年新推出的E2T PULSAR 4紅外溫度儀，在雙通道模式下可同時(shí)測(cè)量高溫燃燒爐的爐膛壁（耐火層）溫度和爐內(nèi)火焰或氣體溫度， 其溫度測(cè)量范圍為350℃～2000℃。所配帶的智能火焰測(cè)量算法(Smart FMA™)，可實(shí)現(xiàn)火焰透明度的實(shí)時(shí)補(bǔ)償和修正，從而消除火焰透明度對(duì)紅外溫度測(cè)量造成的不利影響。測(cè)量不確定度為讀數(shù)的＋0.3%或3℃+1計(jì)數(shù)（兩者取大值），重復(fù)度為滿量程的0.1%，響應(yīng)時(shí)間為0.05s～120s（可調(diào)），焦距為500mm到無窮大，帶兩個(gè)4～20mA DC模擬量輸出和一個(gè)RS485數(shù)字接口。
紅外成像
紅外成像儀，也常簡(jiǎn)稱為熱像儀，主要是檢測(cè)0.9 ～14波長(zhǎng)范圍內(nèi)的紅外電磁頻譜區(qū)的輻射量，通過熱圖像技術(shù)，給出熱輻射體的溫度值及溫度場(chǎng)分布圖，并轉(zhuǎn)換成可見的熱圖像。
在需了解物體的溫度分布以便分析、研究物體的結(jié)構(gòu)，探測(cè)物體的內(nèi)部缺陷或工作狀況，進(jìn)而進(jìn)行故障診斷分析的場(chǎng)合，可通過紅外成像儀以非接觸方式探測(cè)被測(cè)物體目標(biāo)所釋放的紅外輻射能量，形成整個(gè)目標(biāo)對(duì)象的紅外輻射分布（即溫度分布）圖像。與常規(guī)攝像機(jī)不同的是，大多數(shù)成像儀不是利用常規(guī)的CCD或CMOS傳感元件，而是采用特殊的FPA（焦平面陣列），以感應(yīng)更長(zhǎng)的波長(zhǎng)段。zui常用的FPA類型有InSb, InGaAs, HgCdTe和QWIP等。
圖2為福祿克于2014年11月在Rockwell自動(dòng)化展覽會(huì)上所展出的 TiX1000 紅外成像儀。該產(chǎn)品屬采用Fluke Connect™技術(shù)，可與無線測(cè)試與測(cè)量工具網(wǎng)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)紅外熱像和數(shù)據(jù)的自動(dòng)收集、記錄和共享的高清紅外熱像儀，也是*一款可設(shè)置子窗口至240Hz幀速率，用于應(yīng)用的手持式熱像儀。其光譜測(cè)量范圍為7.5 ～14 ，空間分辨率為0.6mRad，圖像分辨率1024×768（標(biāo)準(zhǔn)模式）和2048×1536（超分辨率模式），幀速率為30 Hz或9Hz，NEDT（噪聲等效溫差）≤0.05℃（目標(biāo)溫度30℃下），32倍數(shù)字變焦。標(biāo)準(zhǔn)拍攝像素比常規(guī) 320×240 熱像儀高 10 倍。溫度測(cè)量量程-40℃～1200℃（高溫型可高達(dá)2000℃），測(cè)量精度±1.5℃或±1.5%。配帶5.6寸液晶顯示器和DVI-D(HDMI)視頻輸出接口，2015年將會(huì)推出USB2.0、Gi gE Vi s i o n和RS232接口。
此外，通過選用高靈敏度的紅外探測(cè)元件，紅外成像儀也可用于有毒、有害、易燃介質(zhì)的泄漏探測(cè)。
zui近，美國(guó)I R C ame r a s和L e a kSurveys公司聯(lián)合發(fā)布了用于烴類氣體泄漏檢測(cè)的四款中波紅外Ni a t ros光學(xué)氣體成像儀（見圖3）：Ni a t r o s 320（320×256，I nSb傳感器，30μm像素點(diǎn)距，NEDT＜15mk），Niatros SD（640×512，I nSb傳感器，20μm像素點(diǎn)距，NEDT＜15mk），Niatros HD（1280×1024，I nSb傳感器，12μm像素點(diǎn)距，NEDT＜25mk）和NiatrosH D+（ 1 2 8 0 × 1 0 2 4 ， n B n 傳感器，12μm像素點(diǎn)距，NEDT＜25mk）。成像儀工作溫度范圍為-40℃～65℃。因紅外傳感器工作溫度為-196℃或-143℃（取決于傳感器材料），故這些成像儀均配有閉式循環(huán)斯特林冷卻裝置，MTBF可達(dá)90000h。為優(yōu)化泄漏氣體檢測(cè)和成像，配置了LAP-DnCE(局域處理-動(dòng)態(tài)對(duì)比增強(qiáng))和降噪過濾裝置等*圖像處理功能。數(shù)據(jù)接口有CameraLi n k、H.264、NTSC/PAL、RS232/RS422和Gig-E可選。
紅外成像的核心部件FPA正向小型化、高密度化、智能化（ 如自適應(yīng)焦平面陣列AFPA）、多功能化（集FPA、讀出電路、信號(hào)處理、多通信接口于一體） ， 不斷提高其探測(cè)靈敏度和分辨率方向發(fā)展。
紅外氣體分析
基于紅外光譜技術(shù)的成分分析儀表，具有“綠色、快速、非破壞、在線”等特點(diǎn)，是分析化學(xué)領(lǐng)域迅猛發(fā)展的高新分析技術(shù)之一。工業(yè)中常用紅外氣體分析儀工作原理是利用被測(cè)氣體的紅外吸收光譜特征或熱效應(yīng)而實(shí)現(xiàn)氣體濃度測(cè)量的，主要由紅外輻射光源、氣室/窗口材料和濾波元件、紅外傳感器三大部分構(gòu)成。紅外氣體分析儀具有能同時(shí)測(cè)量多種氣體，測(cè)量范圍寬（上限100%，下限可達(dá)10-6，甚至10-9級(jí)），靈敏度和準(zhǔn)確度高，反應(yīng)極快，有良好的選擇性，易于實(shí)現(xiàn)連續(xù)分析和自動(dòng)控制，不存在中毒現(xiàn)象，操作簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已開始逐漸取代傳統(tǒng)的燃燒、催化型氣體分析儀。
例如，英國(guó)S ERVOMEX公司產(chǎn)SERVOPRO 4200系列氣體紅外分析儀（見圖4）可同時(shí)測(cè)量CO、CO2、O2和CH4等成分(注：除O2測(cè)量采用順磁法外，其它均采用SBSW紅外測(cè)量)，準(zhǔn)確度分別為O2： ＜ 0 . 1 5%；C O、CO2和CH4均為滿量程的1%。另外也可基于G f x 紅外法測(cè)量C O2、C H4、C O和N2O等微量氣體， 測(cè)量量程分別為：0-5/0-100p pm(CO2)、0-50/0-500ppm(CH4)、0-50/0-500ppm(CO)、0-50/0-500ppm(N2O)，準(zhǔn)確度和重復(fù)性均為讀數(shù)的1%。
紅外氣體成分分析儀近年來發(fā)展趨勢(shì)主要有：一是隨著、低電壓、體積小紅外器件的不斷出現(xiàn)，分析儀逐漸小型化；二是采用小型窄帶輻射源，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低功耗； 三是采用激光光源，提高靈敏度和分辨率。
據(jù)美國(guó)發(fā)布的研究報(bào)告預(yù)測(cè)，紅外探測(cè)器銷售額從2014年到2020年將會(huì)以11.9%年累積增長(zhǎng)率的速度遞增，到2020年預(yù)計(jì)將會(huì)從2014年的3.21億美元增加到約7.05億美元。所應(yīng)用的紅外探測(cè)器技術(shù)主要有MCT、InGaAs、熱釋電、熱堆、微輻射熱計(jì)，應(yīng)用領(lǐng)域主要為人體及運(yùn)動(dòng)感知、溫度測(cè)量、火災(zāi)及氣體檢測(cè)、光譜分析測(cè)量、生物醫(yī)學(xué)影像、智能家庭等。其中，主要增長(zhǎng)點(diǎn)是消費(fèi)電子領(lǐng)域（如可提供紅外視覺的紅外隱形眼鏡）、安全防護(hù)領(lǐng)域（如可實(shí)現(xiàn)對(duì)侵入目標(biāo)或人體活動(dòng)的計(jì)數(shù)、定位和分類的紅外偵測(cè)裝置）、智能工廠或智能住宅（如紅外火氣檢測(cè)、基于紅外測(cè)溫或人員計(jì)數(shù)的HVAC自動(dòng)控制等）。應(yīng)用地區(qū)主要以亞太區(qū)為*，其次為美洲、歐洲等地區(qū)。在紅外成像市場(chǎng)，主流的生產(chǎn)商有：美國(guó)FLIR、美國(guó)Excelitas、美國(guó)福祿克、日本Nicera、日本Murata Manufacturing、日本Hamamatsu、美國(guó)Raytheon、比利時(shí)Melexis、美國(guó)德州儀器TI、日本Omron等。
隨著紅外技術(shù)、集成電路、數(shù)字信號(hào)處理、模式識(shí)別等技術(shù)的發(fā)展，紅外傳感器正從單元器件、單一功能向高靈敏度、寬頻譜、高分辨率、低功耗、集成化、多功能化、智能化方向發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也變得無處不在。(end) | |
|
|
 |
|
會(huì)員_a.png)