红外检测技术应用及发展

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欢迎访问e展厅 展厅 5 无损检测仪器展厅 金属探测仪, X射线检测仪, 工业CT, 涂层测厚仪, 探伤仪, 红外热像仪,... 红外线是一种波长范围大致在0.78μm～1000μm频谱范围内的电磁辐射波。任何温度高于绝对零度（-273.15℃）的物体，都会向外部空间以红外线的方式辐射能量。物体温度越高则向外辐射的能量越多。 所谓红外检测技术，是指利用红外线的物理性质来实现相关物理量测量的检测技术。红外检测具有高灵敏度、高稳定性和较强的抗干扰性等优点，最初主要应用于军事领域的制导、侦察、搜索、预警、探测、跟踪、全天候前视和夜视、武器瞄准等。20世纪70年代后，由于红外检测器件发展迅猛、生产成本下降，加之民用市场的需求，使得军事红外技术逐步向民用转化，红外检测技术开始应用于电力设备的故障检测、可燃或有毒气体成分分析、矿产资源勘探、气象监测等。近年来，红外检测是发展最快的技术之一，红外传感器目前已广泛应用于航空航天、天文、气象、军事、工业、农业、医学、交通和民用等众多领域，在日常工作和生活中起着不可替代的重要作用。 以下从应用较多的红外测温、红外成像、红外气体成分分析等方面对红外检测技术进行重点介绍。 红外测温 红外测温有多种方法， 其中较常用的是按照斯蒂芬-玻尔兹曼定律（物体红外辐射的强度与物体的温度和辐射率相关）制成的红外温度计。该类红外温度计主要由光学系统、红外传感元件、调制单元、指示单元等部分构成。适用于对高速运动物体、带电物体、腐蚀介质、高温或高压物体或介质温度的远距离和非接触测量。具有响应速度快（毫秒级，甚至微秒级），测温灵敏度高，不会破坏实测对象原先温度场分布状况，测出温度失真较小，测温范围非常广泛（从摄氏零下几十度到零上几千度的温度）等显著优点。 图1为美国LumaSenser技术公司于2014年新推出的E2T PULSAR 4红外温度仪，在双通道模式下可同时测量高温燃烧炉的炉膛壁（耐火层）温度和炉内火焰或气体温度， 其温度测量范围为350℃～2000℃。所配带的智能火焰测量算法(Smart FMA™)，可实现火焰透明度的实时补偿和修正，从而消除火焰透明度对红外温度测量造成的不利影响。测量不确定度为读数的＋0.3%或3℃+1计数（两者取大值），重复度为满量程的0.1%，响应时间为0.05s～120s（可调），焦距为500mm到无穷大，带两个4～20mA DC模拟量输出和一个RS485数字接口。 红外成像 红外成像仪，也常简称为热像仪，主要是检测0.9 ～14波长范围内的红外电磁频谱区的辐射量，通过热图像技术，给出热辐射体的温度值及温度场分布图，并转换成可见的热图像。 在需了解物体的温度分布以便分析、研究物体的结构，探测物体的内部缺陷或工作状况，进而进行故障诊断分析的场合，可通过红外成像仪以非接触方式探测被测物体目标所释放的红外辐射能量，形成整个目标对象的红外辐射分布（即温度分布）图像。与常规摄像机不同的是，大多数成像仪不是利用常规的CCD或CMOS传感元件，而是采用特殊的FPA（焦平面阵列），以感应更长的波长段。最常用的FPA类型有InSb, InGaAs, HgCdTe和QWIP等。 图2为福禄克于2014年11月在Rockwell自动化展览会上所展出的 TiX1000 红外成像仪。该产品属采用Fluke Connect™技术，可与无线测试与测量工具网互联，实现对现场红外热像和数据的自动收集、记录和共享的首款高清红外热像仪，也是唯一一款可设置子窗口至240Hz帧速率，用于高级应用的手持式热像仪。其光谱测量范围为7.5 ～14 ，空间分辨率为0.6mRad，图像分辨率1024×768（标准模式）和2048×1536（超分辨率模式），帧速率为30 Hz或9Hz，NEDT（噪声等效温差）≤0.05℃（目标温度30℃下），32倍数字变焦。标准拍摄像素比常规 320×240 热像仪高 10 倍。温度测量量程-40℃～1200℃（高温型可高达2000℃），测量精度±1.5℃或±1.5%。配带5.6寸液晶显示器和DVI-D(HDMI)视频输出接口，2015年将会推出USB2.0、Gi gE Vi s i o n和RS232接口。 此外，通过选用高灵敏度的红外探测元件，红外成像仪也可用于有毒、有害、易燃介质的泄漏探测。 最近，美国I R C ame r a s和L e a kSurveys公司联合发布了用于烃类气体泄漏检测的四款中波红外Ni a t ros光学气体成像仪（见图3）：Ni a t r o s 320（320×256，I nSb传感器，30μm像素点距，NEDT＜15mk），Niatros SD（640×512，I nSb传感器，20μm像素点距，NEDT＜15mk），Niatros HD（1280×1024，I nSb传感器，12μm像素点距，NEDT＜25mk）和NiatrosH D+（ 1 2 8 0 × 1 0 2 4 ， n B n 传感器，12μm像素点距，NEDT＜25mk）。成像仪工作温度范围为-40℃～65℃。因红外传感器工作温度为-196℃或-143℃（取决于传感器材料），故这些成像仪均配有闭式循环斯特林冷却装置，MTBF可达90000h。为优化泄漏气体检测和成像，配置了LAP-DnCE(局域处理-动态对比增强)和降噪过滤装置等先进的图像处理功能。数据接口有CameraLi n k、H.264、NTSC/PAL、RS232/RS422和Gig-E可选。 红外成像的核心部件FPA正向小型化、高密度化、智能化（ 如自适应焦平面阵列AFPA）、多功能化（集FPA、读出电路、信号处理、多通信接口于一体） ， 不断提高其探测灵敏度和分辨率方向发展。 红外气体分析 基于红外光谱技术的成分分析仪表，具有“绿色、快速、非破坏、在线”等特点，是分析化学领域迅猛发展的高新分析技术之一。工业中常用红外气体分析仪工作原理是利用被测气体的红外吸收光谱特征或热效应而实现气体浓度测量的，主要由红外辐射光源、气室/窗口材料和滤波元件、红外传感器三大部分构成。红外气体分析仪具有能同时测量多种气体，测量范围宽（上限100%，下限可达10-6，甚至10-9级），灵敏度和准确度高，反应极快，有良好的选择性，易于实现连续分析和自动控制，不存在中毒现象，操作简单，寿命长等优点，已开始逐渐取代传统的燃烧、催化型气体分析仪。 例如，英国S ERVOMEX公司产SERVOPRO 4200系列气体红外分析仪（见图4）可同时测量CO、CO2、O2和CH4等成分(注：除O2测量采用顺磁法外，其它均采用SBSW红外测量)，准确度分别为O2： ＜ 0 . 1 5%；C O、CO2和CH4均为满量程的1%。另外也可基于G f x 红外法测量C O2、C H4、C O和N2O等微量气体， 测量量程分别为：0-5/0-100p pm(CO2)、0-50/0-500ppm(CH4)、0-50/0-500ppm(CO)、0-50/0-500ppm(N2O)，准确度和重复性均为读数的1%。 红外气体成分分析仪近年来发展趋势主要有：一是随着高效、低电压、体积小红外器件的不断出现，分析仪逐渐小型化；二是采用小型窄带辐射源，简化结构，降低功耗； 三是采用激光光源，提高灵敏度和分辨率。 据美国发布的研究报告预测，红外探测器全球销售额从2014年到2020年将会以11.9%年累积增长率的速度递增，到2020年预计将会从2014年的3.21亿美元增加到约7.05亿美元。所应用的红外探测器技术主要有MCT、InGaAs、热释电、热堆、微辐射热计，应用领域主要为人体及运动感知、温度测量、火灾及气体检测、光谱分析测量、生物医学影像、智能家庭等。其中，主要增长点是消费电子领域（如可提供红外视觉的红外隐形眼镜）、安全防护领域（如可实现对侵入目标或人体活动的计数、定位和分类的红外侦测装置）、智能工厂或智能住宅（如红外火气检测、基于红外测温或人员计数的HVAC自动精准控制等）。应用地区主要以亚太区为领头羊，其次为美洲、欧洲等地区。在全球红外成像市场，主流的生产商有：美国FLIR、美国Excelitas、美国福禄克、日本Nicera、日本Murata Manufacturing、日本Hamamatsu、美国Raytheon、比利时Melexis、美国德州仪器TI、日本Omron等。 随着红外技术、集成电路、数字信号处理、模式识别等技术的发展，红外传感器正从单元器件、单一功能向高灵敏度、宽频谱、高分辨率、低功耗、集成化、多功能化、智能化方向发展，其应用领域也变得无处不在。(end)

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