紅外熱像儀的工作原理及工業(yè)應用

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，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。

室溫工作的紅外探測器舉例低溫工作的碲鎘汞半導體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域主要有：健康領域（耳溫槍、額溫槍、壓力傳感器、嬰兒恒溫箱等）、工業(yè)領域（測溫槍、復印機、充電過熱保護、變電箱等）、安防領域（異常溫度篩選等）、家電領域（微波爐、電磁爐、灶具、電吹風、烘干機、電暖氣等）、照明領域（LED控制開關(guān)）、汽車領域（車內(nèi)空調(diào)及排風等）。