紅外檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展
發(fā)布日期：2015年6月11日 瀏覽次數(shù)：
紅外線(xiàn)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。任何溫度高于絕對(duì)零度（-273.15℃）的物體，都會(huì)向外部空間以紅外線(xiàn)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(xiàn)的物理性質(zhì)來(lái)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)，最初主要應(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(kāi)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(lái)，紅外檢測(cè)是發(fā)展最快的技術(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(lèi)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)。
紅外成像
紅外成像儀，也常簡(jiǎn)稱(chēng)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(guò)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(jiàn)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(guò)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。最常用的FPA類(lèi)型有InSb, InGaAs, HgCdTe和QWIP等。
此外，通過(guò)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)。
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(xiàn)”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(kāi)始逐漸取代傳統(tǒng)的燃燒、催化型氣體分析儀。
紅外氣體成分分析儀近年來(lái)發(fā)展趨勢(shì)主要有：一是隨著高效、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)器全球銷(xiāo)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(jué)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(lèi)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)精準(zhǔn)控制等）。應(yīng)用地區(qū)主要以亞太區(qū)為領(lǐng)頭羊，其次為美洲、歐洲等地區(qū)。在全球紅外成像市場(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(wú)處不在。
所謂紅外檢測(cè)技術(shù)，是指利用紅外線(xiàn)的物理性質(zhì)來(lái)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)，最初主要應(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(kāi)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(lái)，紅外檢測(cè)是發(fā)展最快的技術(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(lèi)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)。
紅外成像
紅外成像儀，也常簡(jiǎn)稱(chēng)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(guò)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(jiàn)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(guò)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。最常用的FPA類(lèi)型有InSb, InGaAs, HgCdTe和QWIP等。
此外，通過(guò)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)。
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(xiàn)”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(kāi)始逐漸取代傳統(tǒng)的燃燒、催化型氣體分析儀。
紅外氣體成分分析儀近年來(lái)發(fā)展趨勢(shì)主要有：一是隨著高效、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)器全球銷(xiāo)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(jué)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(lèi)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)精準(zhǔn)控制等）。應(yīng)用地區(qū)主要以亞太區(qū)為領(lǐng)頭羊，其次為美洲、歐洲等地區(qū)。在全球紅外成像市場(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(wú)處不在。
