紅外檢測技術(shù)應用及發(fā)展

紅外檢測技術(shù)應用及發(fā)展

    紅外線(xiàn)是一種波長(cháng)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(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。 

    所謂紅外檢測技術(shù)，是指利用紅外線(xiàn)的物理性質(zhì)來(lái)實(shí)現相關(guān)物理量測量的檢測技術(shù)。紅外檢測具有高靈敏度、高穩定性和較強的抗干擾性等優(yōu)點(diǎn)，最初主要應用于軍事領(lǐng)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(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)逐步向民用轉化，紅外檢測技術(shù)開(kāi)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(chǎn)資源勘探、氣象監測等。近年來(lái)，紅外檢測是發(fā)展最快的技術(shù)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(yè)、農業(yè)、醫學(xué)、交通和民用等眾多領(lǐng)域，在日常工作和生活中起著(zhù)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(shù)進(jìn)行重點(diǎn)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(guān)）制成的紅外溫度計。該類(lèi)紅外溫度計主要由光學(xué)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(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(huì )破壞實(shí)測對象原先溫度場(chǎng)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(zhù)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0.9 ～14波長(cháng)范圍內的紅外電磁頻譜區的輻射量，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、研究物體的結構，探測物體的內部缺陷或工作狀況，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被測物體目標所釋放的紅外輻射能量，形成整個(gè)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(cháng)的波長(cháng)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。 

    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(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氣體的紅外吸收光譜特征或熱效應而實(shí)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(shí)測量多種氣體，測量范圍寬（上限，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(shí)現連續分析和自動(dòng)控制，不存在中毒現象，操作簡(jiǎn)單，壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，已開(kāi)始逐漸取代傳統的燃燒、催化型氣體分析儀。

    紅外氣體成分分析儀近年來(lái)發(fā)展趨勢主要有：一是隨著(zhù)高效、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(jiǎn)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(fā)布的研究報告預測，紅外探測器全球銷(xiāo)售額從2014年到2020年將會(huì )以11.9%年累積增長(cháng)率的速度遞增，到2020年預計將會(huì )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(shù)主要有MCT、InGaAs、熱釋電、熱堆、微輻射熱計，應用領(lǐng)域主要為人體及運動(dòng)感知、溫度測量、火災及氣體檢測、光譜分析測量、生物醫學(xué)影像、智能家庭等。其中，主要增長(cháng)點(diǎn)是消費電子領(lǐng)域（如可提供紅外視覺(jué)的紅外隱形眼鏡）、安全防護領(lǐng)域（如可實(shí)現對侵入目標或人體活動(dòng)的計數、定位和分類(lèi)的紅外偵測裝置）、智能工廠(chǎng)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(dòng)精準控制等）。應用地區主要以亞太區為領(lǐng)頭羊，其次為美洲、歐洲等地區。在全球紅外成像市場(chǎng)，主流的生產(chǎn)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(shí)Melexis、美國德州儀器TI、日本Omron等。 

    隨著(zhù)紅外技術(shù)、集成電路、數字信號處理、模式識別等技術(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，其應用領(lǐng)域也變得無(wú)處不在。