人類第六感的“黑科技”—紅外熱像儀
紅外熱像儀民用逐步升溫
如果你還認為熱像儀是高端專業(yè)設(shè)備，是軍用設(shè)備，離我們還很遙遠，不好意思，你已經(jīng)out了!我們印象中的熱像儀經(jīng)常出現(xiàn)在某軍偵查、航海作業(yè)等專業(yè)化行動中，而如今，熱像儀的應用幾乎就遍布我們身邊。近些年來，隨著手持式紅外熱像儀的發(fā)展和普及，已從軍用專業(yè)精密 儀器 逐漸轉(zhuǎn)型成便攜帶、智能化、甚至自帶Wi-Fi/云熱像的民用普及產(chǎn)品。如果你在為水管哪里漏水、手機或電視屏幕哪有壞點、或是身體哪里有炎癥等問題煩心時，可以驚喜地告訴你：手持熱像儀，可一站式解決此類問題，還可上傳云端進行保存、大數(shù)據(jù)管理。
同樣，諸多行業(yè)也在因熱像儀的普及而發(fā)生著改變：比如，如果消防員有一部手持熱像儀，就可以準確判斷著火點位置，還可準確發(fā)現(xiàn)被困人員所處位置;比如，地震發(fā)生時，如果無人機帶有熱像儀，就可以在第一時間沖過重重阻礙，探明災區(qū)情況，即時發(fā)現(xiàn)被困人員，不會再現(xiàn)從前第一批救援人員只能“摸石探路”的情況，耽誤最佳救援時間;再比如，小到普通商店或家庭、大到國家，安防系統(tǒng)運用熱像儀，就能準確判斷是否有不安全因素存在;還比如，生產(chǎn)加工產(chǎn)品過程中，許多用肉眼無法觀察、普通儀器有精度限制的檢測中，如果有熱像儀，那一切問題便“一目了然”。
紅外熱像儀的應用目前已遍布我們生活的各個角落，從常見的醫(yī)學成像到就在我們身邊的光譜探測，從我們逐漸了解的食品檢測到軍事所用的雷達建模，從日常最熟悉的安全檢查到即將到來的自動駕駛、智慧生活。
FLUKE可視紅外測溫儀VT02是電工和維護技術(shù)人員的檢測工具
紅外熱像儀的工業(yè)應用場景
或許你對紅外熱像儀的工業(yè)應用不大熟悉，下面簡單介紹紅外熱像儀在工業(yè)自動化中的應用：紅外熱像儀可在自動化檢查、加工過程控制、狀態(tài)監(jiān)測、火災預防和監(jiān)測，以及連續(xù)光學氣體成像等五種應用中發(fā)揮無可替代的作用。
食品生產(chǎn)線質(zhì)量控制汽車擋風玻璃除霜檢驗
控制自動化焊機中管道的定位高壓設(shè)備的熱檢驗
鋼包上的熱點顯示可能存在故障持續(xù)監(jiān)測倉庫
探測廢料倉中的火災風險變壓器溫度過高
紅外熱像儀發(fā)展?jié)摿薮螅延瓉睃S金發(fā)展時期
曾經(jīng)的紅外熱成像的發(fā)展主要由國防應用推動，出來的最新產(chǎn)品也主要應用于軍用產(chǎn)品。十年的發(fā)展幾乎讓這一現(xiàn)象遂成往事，如今熱成像的廣泛應用在消防、PVS、海事、無人機、機器人、智能建筑、智能家居和智慧商店等市場的大規(guī)模發(fā)展，讓紅外傳感器在商業(yè)中的應用前景非常樂觀。就熱成像市場的領(lǐng)導者FLIR舉例，2015年至今三年來，F(xiàn)LIR共出貨了100萬個Lepton機芯，集成于超過20多種產(chǎn)品中(Lepton是一款為FLIR帶來巨大成功的關(guān)鍵紅外機芯);同時，F(xiàn)LIR開辟了一條充滿智慧的戰(zhàn)略，將非制冷紅外成像技術(shù)針對各種不同的應用引入廣泛的產(chǎn)品中，使非制冷紅外成像技術(shù)獲得更廣泛的應用，贏得更大的市場。
就國內(nèi)而言，紅外熱像行業(yè)作為高科技行業(yè)，行業(yè)發(fā)展前景廣闊。據(jù)不完全統(tǒng)計我國紅外熱成像技術(shù)市場的潛在需求可達500~600億元，而目前市場狀況僅處于起步階段，到2020年，紅外成像市場將增長20%以上。國內(nèi)如高德紅外、大立科技、颯特紅外、海康威視等領(lǐng)頭企業(yè)也在近十年中發(fā)展迅猛，新產(chǎn)品新應用緊跟時代步伐。
紅外熱像儀是如何工作的?
紅外熱成像是一種可將紅外圖像轉(zhuǎn)換為熱輻射圖像的技術(shù)，該技術(shù)可從圖像中讀取溫度值，是一種無損檢測技術(shù)。
紅外熱像儀(Infrared Thermal Imager)則是一種用來探測目標物體的紅外輻射，并通過光電轉(zhuǎn)換、電信號處理等手段，將目標物體的溫度分布圖像轉(zhuǎn)換成視頻圖像的高科技產(chǎn)品。
那紅外熱像儀究竟是如何工作的呢?
1、紅外熱成像儀的工作范圍
在自然界中，只要溫度高于絕對零度(-273℃)的物體都能輻射電磁波。紅外線是自然界中的電磁波最為廣泛的一種存在形式，它是一種能量，而這種能量是我們?nèi)庋劭床灰姷?。任何物體在常規(guī)環(huán)境下都會產(chǎn)生的自身的分子和原子無規(guī)則運動，并不停地輻射出熱紅外能量。
紅外熱像儀工作波譜
紅外線是這些電磁波的一部分，它和可見光、紫外線、X射線、γ射線和無線電波一起，構(gòu)成了一個完整連續(xù)的電磁波譜。如上圖所示，波長范圍是0.78μm到1000μm的電磁輻射，我們稱為紅外線輻射。
紅外輻射電磁波在空氣中傳播要受到大氣的吸收而使得輻射的能量被衰減，如果吸收的能量過多，就無法使用熱像儀進行觀察。大氣、煙云等吸收紅外線也跟紅外輻射的波長有關(guān)，對于3~5μm和8~14μm的紅外線是透明的。因此，這兩個波段被稱為紅外線的“大氣窗口”。利用這兩個窗口，紅外熱像儀可以正常的環(huán)境中進行觀測而不會產(chǎn)生紅外輻射衰減的情形。
2、熱成像原理
通俗的說，紅外熱成像是將不可見的紅外輻射變?yōu)榭梢姷臒釄D像。不同物體甚至同一物體不同部位輻射能力和它們對紅外線的反射強弱不同。利用物體與背景環(huán)境的輻射差異以及景物本身各部分輻射的差異，熱圖像能夠呈現(xiàn)景物各部分的輻射起伏，從而能顯示出景物的特征。熱圖像其實是目標表面溫度分布圖像。
3、紅外熱像儀的組成
紅外熱像儀的基本工作原理為：紅外線透過特殊的光學鏡頭，被紅外探測器所吸收，探測器將強弱不等的紅外信號轉(zhuǎn)化成電信號，再經(jīng)過放大和視頻處理，形成可供人眼觀察的熱圖像顯示到屏幕上。熱像儀由兩個基本部分組成：光學系統(tǒng)和探測器。
紅外熱像儀工作原理示意圖
熱像儀非常靈敏，能探測到小于0.1°C的溫差。例如，F(xiàn)LIR紅外熱像儀可識別細微至0.02°C的溫度變化，擁有先進的探測技術(shù)和先進的數(shù)學算法，可精確測量-40°C至+2000°C的對象的溫度。
4、紅外熱像儀的分類
* 按照工作溫度可分為制冷型/非制冷性
制冷式熱成像儀，其探測器中集成了一個低溫制冷器，這種裝置可以給探測器降溫度，這樣是為了使熱噪聲的信號低于成像信號，成像質(zhì)量更好。
非制冷式熱成像儀，其探測器不需要低溫制冷，采用的探測器通常是以微測輻射熱計為基礎(chǔ)，主要有多晶硅和氧化釩兩種探測器。
制冷型熱成像儀(左)和非制冷型熱成像儀(右)成像效果
* 按照功能可分為測溫型/非測溫型
測溫型紅外熱像儀，可以直接從熱圖像上讀出物體表面任意點的溫度數(shù)值，這種系統(tǒng)可以作為 無損檢測儀器 ，但是有效距離比較短。
非測溫型紅外熱像儀，只能觀察到物體表面熱輻射的差異，這種系統(tǒng)可以作為觀測工具，有效距離比較長。
帶溫度信息的熱圖像不帶溫度信息的熱圖像
紅外熱像儀的心臟——紅外探測器
紅外探測器從探測機理上可分為：紅外光子探測器和紅外熱探測器。
紅外探測器的具體分類
1、光子探測器：基本工作原理是探測器吸收目標或背景輻射的光子時，探測器材料的最外殼層電子發(fā)生躍遷形成晶體內(nèi)的自由電子，產(chǎn)生光生電導或光生伏特效應。光電導和光生伏特效應的強弱取決與輻射源的輻射強度和探測器的靈敏度。在整個探測工作過程中，光子探測器的溫度基本保持恒定。
2、熱探測器：主要是通過吸收紅外輻射的能量，使探測器的溫度發(fā)生變化，引起探測器電阻率或電極性的改變，熱探測器電阻率或電極性的改變量同樣取決與輻射源的輻射強度和探測器的靈敏度。
3、兩類紅外探測器對比：由于二者工作機理的不同，這兩類探測器顯出各自不同的紅外響應特性：光子探測器有相對最佳的響應波長(峰值波長)，黑體響應率與峰值響應率之間差異隨著探測器響應波段的不同而有很大的不同;而熱探測器的響應率隨波長的變化幾乎是平坦的。因此，熱探測器的黑體響應和峰值響應幾乎沒有什么差別。另一方面，隨著探測器工作高溫工作的升高，熱探測器可比光電探測器具有更高的靈敏度。因此，通常廣泛應用于工作溫度接近室溫場合，被稱為“非制冷”探測器。
4、紅外熱電堆探測器
盡管與其他紅外探測器相比，紅外熱電堆探測器響應靈敏度不高，熱響應時間較長，在器件性能方面不具備競爭優(yōu)勢。不過熱電堆探測器制作容易與集成電路工藝兼容，信號后處理電路也比較簡單，具有低成本的潛力，對紅外成像圖像質(zhì)量要求不高的社區(qū)保安、安全監(jiān)控、汽車輔助駕駛領(lǐng)域具有一定的應用前景。因此下面具體為大家介紹一下紅外熱電堆探測器。
紅外熱電堆探測器是紅外熱探測器的一種，熱電堆是由許多熱電偶串接起來組成的，相比熱電偶有更大的輸出熱電勢。早先的紅外熱電堆探測器是利用掩膜真空鍍膜的方法，將熱電偶材料沉積到塑料或陶瓷襯底上獲得的，但器件的尺寸較大，且不易批量生產(chǎn)。隨著微電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展，提出了微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的概念，進而發(fā)展了微機械紅外熱電堆探測器。
紅外熱電堆的工作原理為塞貝克效應(Seebeck Effect)：如果兩種不同的材料或材料相同逸出功不同的物體A和B，在熱結(jié)端相連，熱結(jié)與冷結(jié)間存在溫度差dT，那么在冷結(jié)的兩個梁間就會產(chǎn)生開路電勢dV。為提高探測器的性能，理想熱電偶材料的特征應該是同時具有低熱導率、高電導率和高塞貝克系數(shù)，但實際上這幾個因素間彼此也有影響，由一品質(zhì)因數(shù)Z限定。
塞貝克效應示意圖(圖中A和B構(gòu)成一對熱電偶)
紅外熱電堆傳感器的應用領(lǐng)域主要有：健康領(lǐng)域(耳溫槍、額溫槍、 壓力傳感器 、嬰兒恒溫箱等)、工業(yè)領(lǐng)域(測溫槍、復印機、充電過熱保護、變電箱等)、安防領(lǐng)域(異常溫度篩選等)、家電領(lǐng)域(微波爐、電磁爐、灶具、電吹風、烘干機、電暖氣等)、照明領(lǐng)域(LED控制開關(guān))、汽車領(lǐng)域(車內(nèi)空調(diào)及排風等)。
