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技術文章

紅外檢測技術應用及發展

點擊次數：5767 發布時間：2016-8-15

紅外線是一種波長范圍大致在0.78μm～1000μm頻譜范圍內的電磁輻射波。任何溫度高于零度（-273.15℃）的物體，都會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。

所謂紅外檢測技術，是指利用紅外線的物理性質來實現相關物理量測量的檢測技術。紅外檢測具有高靈敏度、高穩定性和較強的抗干擾性等優點，zui初主要應用于軍事領域的制導、偵察、搜索、預警、探測、跟蹤、全天候前視和夜視、武器瞄準等。20世紀70年代后，由于紅外檢測器件發展迅猛、生產成本下降，加之民用市場的需求，使得軍事紅外技術逐步向民用轉化，紅外檢測技術開始應用于電力設備的故障檢測、可燃或有毒氣體成分分析、礦產資源勘探、氣象監測等。近年來，紅外檢測是發展zui快的技術之一，紅外傳感器目前已廣泛應用于航空航天、天文、氣象、軍事、工業、農業、醫學、交通和民用等眾多領域，在日常工作和生活中起著不可替代的重要作用。

以下從應用較多的紅外測溫、紅外成像、紅外氣體成分分析等方面對紅外檢測技術進行重點介紹。

紅外測溫

紅外測溫有多種方法，其中較常用的是按照斯蒂芬-玻爾茲曼定律（物體紅外輻射的強度與物體的溫度和輻射率相關）制成的紅外溫度計。該類紅外溫度計主要由光學系統、紅外傳感元件、調制單元、指示單元等部分構成。適用于對高速運動物體、帶電物體、腐蝕介質、高溫或高壓物體或介質溫度的遠距離和非接觸測量。具有響應速度快（毫秒級，甚至微秒級），測溫靈敏度高，不會破壞實測對象原先溫度場分布狀況，測出溫度失真較小，測溫范圍非常廣泛（從攝氏零下幾十度到零上幾千度的溫度）等顯著優點。

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圖1為美國LumaSenser技術公司于2014年新推出的E2T PULSAR 4紅外溫度儀，在雙通道模式下可同時測量高溫燃燒爐的爐膛壁（耐火層）溫度和爐內火焰或氣體溫度，其溫度測量范圍為350℃～2000℃。所配帶的智能火焰測量算法(Smart FMA™)，可實現火焰透明度的實時補償和修正，從而消除火焰透明度對紅外溫度測量造成的不利影響。測量不確定度為讀數的＋0.3%或3℃+1計數（兩者取大值），重復度為滿量程的0.1%，響應時間為0.05s～120s（可調），焦距為500mm到無窮大，帶兩個4～20mA DC模擬量輸出和一個RS485數字接口。

紅外成像

紅外成像儀，也常簡稱為熱像儀，主要是檢測0.9 ～14波長范圍內的紅外電磁頻譜區的輻射量，通過熱圖像技術，給出熱輻射體的溫度值及溫度場分布圖，并轉換成可見的熱圖像。

在需了解物體的溫度分布以便分析、研究物體的結構，探測物體的內部缺陷或工作狀況，進而進行故障診斷分析的場合，可通過紅外成像儀以非接觸方式探測被測物體目標所釋放的紅外輻射能量，形成整個目標對象的紅外輻射分布（即溫度分布）圖像。與常規攝像機不同的是，大多數成像儀不是利用常規的CCD或CMOS傳感元件，而是采用特殊的FPA（焦平面陣列），以感應更長的波長段。zui常用的FPA類型有InSb, InGaAs, HgCdTe和QWIP等。

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圖2為福祿克于2014年11月在Rockwell自動化展覽會上所展出的 TiX1000 紅外成像儀。該產品屬采用Fluke Connect™技術，可與無線測試與測量工具網互聯，實現對現場紅外熱像和數據的自動收集、記錄和共享的高清紅外熱像儀，也是*一款可設置子窗口至240Hz幀速率，用于應用的手持式熱像儀。其光譜測量范圍為7.5 ～14 ，空間分辨率為0.6mRad，圖像分辨率1024×768（標準模式）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℃（目標溫度30℃下），32倍數字變焦。標準拍攝像素比常規 320×240 熱像儀高 10 倍。溫度測量量程-40℃～1200℃（高溫型可高達2000℃），測量精度±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元件，紅外成像儀也可用于有毒、有害、易燃介質的泄漏探測。

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zui近，美國I R C ame r a s和L e a kSurveys公司聯合發布了用于烴類氣體泄漏檢測的四款中波紅外Ni a t ros光學氣體成像儀（見圖3）：Ni a t r o s 320（320×256，I nSb傳感器，30μm像素點距，NEDT＜15mk），Niatros SD（640×512，I nSb傳感器，20μm像素點距，NEDT＜15mk），Niatros HD（1280×1024，I nSb傳感器，12μm像素點距，NEDT＜25mk）和NiatrosH D+（ 1 2 8 0 × 1 0 2 4 ， n B n 傳感器，12μm像素點距，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斯特林冷卻裝置，MTBF可達90000h。為優化泄漏氣體檢測和成像，配置了LAP-DnCE(局域處理-動態對比增強)和降噪過濾裝置等*圖像處理功能。數據接口有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（如自適應焦平面陣列AFPA）、多功能化（集FPA、讀出電路、信號處理、多通信接口于一體），不斷提高其探測靈敏度和分辨率方向發展。

紅外氣體分析

基于紅外光譜技術的成分分析儀表，具有“綠色、快速、非破壞、在線”等特點，是分析化學領域迅猛發展的高新分析技術之一。工業中常用紅外氣體分析儀工作原理是利用被測氣體的紅外吸收光譜特征或熱效應而實現氣體濃度測量的，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成。紅外氣體分析儀具有能同時測量多種氣體，測量范圍寬（上限100%，下限可達10-6，甚至10-9級），靈敏度和準確度高，反應極快，有良好的選擇性，易于實現連續分析和自動控制，不存在中毒現象，操作簡單，壽命長等優點，已開始逐漸取代傳統的燃燒、催化型氣體分析儀。

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例如，英國S ERVOMEX公司產SERVOPRO 4200系列氣體紅外分析儀（見圖4）可同時測量CO、CO2、O2和CH4等成分(注：除O2測量采用順磁法外，其它均采用SBSW紅外測量)，準確度分別為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 紅外法測量C O2、C H4、C O和N2O等微量氣體，測量量程分別為：0-5/0-100p pm(CO2)、0-50/0-500ppm(CH4)、0-50/0-500ppm(CO)、0-50/0-500ppm(N2O)，準確度和重復性均為讀數的1%。

紅外氣體成分分析儀近年來發展趨勢主要有：一是隨著、低電壓、體積小紅外器件的不斷出現，分析儀逐漸小型化；二是采用小型窄帶輻射源，簡化結構，降低功耗；三是采用激光光源，提高靈敏度和分辨率。

據美國發布的研究報告預測，紅外探測器銷售額從2014年到2020年將會以11.9%年累積增長率的速度遞增，到2020年預計將會從2014年的3.21億美元增加到約7.05億美元。所應用的紅外探測器技術主要有MCT、InGaAs、熱釋電、熱堆、微輻射熱計，應用領域主要為人體及運動感知、溫度測量、火災及氣體檢測、光譜分析測量、生物醫學影像、智能家庭等。其中，主要增長點是消費電子領域（如可提供紅外視覺的紅外隱形眼鏡）、安全防護領域（如可實現對侵入目標或人體活動的計數、定位和分類的紅外偵測裝置）、智能工廠或智能住宅（如紅外火氣檢測、基于紅外測溫或人員計數的HVAC自動控制等）。應用地區主要以亞太區為*，其次為美洲、歐洲等地區。在紅外成像市場，主流的生產商有：美國FLIR、美國Excelitas、美國福祿克、日本Nicera、日本Murata Manufacturing、日本Hamamatsu、美國Raytheon、比利時Melexis、美國德州儀器TI、日本Omron等。

隨著紅外技術、集成電路、數字信號處理、模式識別等技術的發展，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、智能化方向發展，其應用領域也變得無處不在。(end)

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