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红外应用技术

点击次数:更新时间:2013-12-05 15:12:49【打印】【关闭】

  红外线,实质上是一种电磁辐射波,其波长范围大致在0.78μm~1000μm频谱范围内,因其是位于可见光中红光以外的光线,故而得名为红外线。   任何温度高于绝对零

  红外线,实质上是一种电磁辐射波,其波长范围大致在0.78μm~1000μm频谱范围内,因其是位于可见光中红光以外的光线,故而得名为红外线。

  任何温度高于绝对零度的物体,都会向外部空间以红外线的方式辐射能量。利用红外辐射实现相关物理量测量的传感技术,即为红外传感技术。红外传感技术是近年来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、工业和民用等众多领域,起着不可替代的重要作用。

  按检测机理不同,通常将红外传感器分为热式和光子式(也称量子式)两大类。热式是利用红外辐射的热效应,即当热式传感器的敏感元件吸收所入射的红外辐射后,其温度随之变化,进而使敏感元件的相关物理参数发生相应变化,通过对这些物理参数及其变化的测量就可确定传感器所吸收的红外辐射量。热式传感器主要优点是:响应波段达整个红外区域,可以在常温下工作,轻便可靠,成本较低,使用简单方便等。但其不足之处是响应时间相对较长(ms级),灵敏度较低,一般用于低频调制的场合。常用的热式红外传感器类型主要有热敏电阻/(微)辐射热计型、热电偶/热电堆型、高莱气动型和热释电型等。其中,热释电型的敏感元件通常采用具有热释电效应的晶体材料,具有检测效率最高,频率响应最宽,能探测辐射信号的快速变化等显著优点,故该类传感器发展较快,应用范围也较广。

  光子式红外传感器是利用红外辐射的光子效应而进行工作的传感器。所谓光子效应,是指当有红外线入射到某些半导体材料上时,红外辐射中的光子流与半导体材料中的电子相互作用,改变了电子的能量状态,从而引起各种电学现象。通过测量半导体材料中电子性质的变化,就可以知道相应红外辐射的强弱。光子探测器类型主要有内光电探测器、外光电探测器、自由载流子式探测器、QWIP量子阱式探测器等。内光电探测器又细分为光电导型、光生伏特型和光磁电等类型。光子探测器的主要特点是灵敏度高、响应速度快,具有较高的响应频率,但缺点是探测波段较窄,一般工作于低温(为保持高灵敏度,常采用液氮或温差电制冷等方式,将光子探测器冷却至较低的工作温度)。

  按照红外传感器应用功能、场所的不同,大体可将其应用分成以下几类:

  (1)辐射量、光谱测量:该类测量仪器用途广泛,如基于中红外辐射测量的地面辐射强度计,可用于如全球变暖等的气候变化观察;基于远红外辐射测量的红外空间望远镜,可用于宇宙天体天文观察;配带红外光谱扫描辐射仪的气象卫星,可实现对云层等的气象观察分析。在工矿企业中,应用较多的是基于辐射量测量的红外温度计和基于红外光谱测量的红外分析仪。

  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。依此制成的红外温度计,属比较先进的测温方法,具有诸多优点:适用于远距离和非接触测量,可以测量高速运动物体、带电物体、腐蚀介质、高温或高压物体或介质的温度;因其测量不需要热平衡过程,故其响应速度快,一般在毫秒级,甚至微秒级;因为物体红外辐射的强度与物体温度的四次方成正比,因而物体温度微小变化,都会引起辐射能量成倍变化,因而其测温灵敏度高;由于测量的非接触性,故不会破坏实测对象原先温度场分布状况,因而其测出温度失真较小;可以测量从摄氏零下几十度到零上几千度的温度,因而其测温范围非常广泛。美国LumaSense技术公司所生产的基于红外温度传感器的IS 6和IGA 6系列数字高温计,温度测量上限:IS达3000℃,IGA达2500℃;光谱范围:IS为0.7μm~1.1μm,IGA为1.45μm~1.8μm响应时间快达120μs,功耗最大不超过3W,重量仅有0.6kg。

  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。许多由非对称双原子和多原子所构成的气体分子,在红外辐射波段都有相应的吸收带,且因其被测对象所含分子的不同,吸收带所在的波长和吸收的强弱也不相同。根据各类气体分子吸收带分布情况及吸收的强弱,可以识别出被测对象中所含气体分子的组成及含量。红外气体分析仪即是采用红外光照射被测介质,并根据各类分子介质的红外吸收特性,利用气体的红外吸收光谱特征,通过对光谱分析而实现气体组分或浓度分析的。日本横河电机所生产的IR400型红外气体分析仪,该分析仪采用单光源双光柱、NDIR非色散红外测量法,实现NO、SO2 、CO、CO2 和CH4四种气体成分的同时和连续测量。其线性度达±1%满量程,重复性为±0.5%满量程,响应时间为60s。

  利用近红外光谱对羟基、水、碳酸盐以及Al-OH、Mg-OH 和Fe-OH 等分子键非常敏感的特性,通过对目标对象的红外照射来获得其诊断性光谱,然后对光谱波长位置、深度和宽度进行测量分析,即可获取其种属、组分和主要金属元素比值等,从而实现对固体等介质的成分分析。澳大利亚Integrated Spectronics公司生产的PIMA光栅扫描型光谱仪,即是此类典型的用于研究野外岩石矿物的种类、丰度、成分的便携式近红外光谱分析仪,其波长范围为1.3μm~2.5μm,光谱取样间距2nm,信噪比1/3500~1/4500,对于样品和参考物有32个识别级别,外形大小27cm ×17cm×12cm,重量仅只有4kg。

  搜索和跟踪系统:是基于目标所发出的处于红外光谱范围内的电磁辐射波,来搜索和跟踪红外目标,确定其空间位置,并对其运动轨迹进行跟踪的系统。红外搜索跟踪器的图像品质取决于与像素大小和像素数量相关的空间分辨率。也就是说,若仪器像素数越高,像素尺寸越小,则其显示的图像越清晰,可搜索的距离则越远。擅长基于MCT(碲镉汞)冷却红外检测器技术的法国Sofradir公司,近期推出了高性能的基于10μm像距MWIR中红外的IRST红外搜索和跟踪系统,可用于飞行员或士兵不论白天还是夜晚,即使是在烟或雾环境下,仍能有效识别、分辨、定位远达10km以外的小目标。

  热成像系统:通过热成像仪以非接触方式探测被测目标所释放的红外辐射能量,能形成整个目标的红外辐射分布(即温度分布)图像,以便分析、研究目标物体的结构,探测其内部缺陷或工作状况,进而进行故障诊断分析等。微辐射热计热式红外技术是红外热成像仪中应用最多的技术,由其构成的热成像仪的图像分辨率超过10000像素。图为美国FLIR公司生产的SC8200系列红外摄像机,采用1024×1024冷却锑化铟MWIR中红外检测器,测量光谱范围1.5μm~5.0μm或3.0μm~5.0μm,NETD<25mK,像素点距18μm,帧频132Hz,标准量程范围-20℃~500℃,也可选择量程上限到1500℃或2000℃,测量精度为±2℃或示值的±2%。

  红外通信系统:是采用调制后的红外辐射光束传输编码后的数据,再由硅光电二极管将收到的红外辐射信号转换成电信号,实现近距离通信的一种系统。具有不干扰其它邻近设备的正常工作,特别适用于人口高密度区域的户内通信的优点。此外,该通信系统还具有低功耗、低成本、安全可靠的特点。

  其它。红外传感技术还广泛用于门禁报警与控制、照明控制、火灾检测、有毒有害气体泄漏检测、红外测距、采暖通风等其它综合应用场合。今年5月份,在德国纽伦堡举办的“SENSOR+TEST”展览会上,法国ULIS公司展出了其最新研制的、采用了最新的片上(on-chip)创新技术(如采用I2C标准接口、低功耗管理等)的红外热式传感器阵列Micro80P产品。该传感器阵列基于有着较高可靠性的非晶硅技术,灵敏度高达80×80像距,其性能远远超越了在目前运动检测器中所用的单元件或四元件热式传感器,大大提升了工业级红外热检测传感器的能力。该产品不仅可以用于检测温度点或温度面和探测运动,也可以实现对目标或人体活动的计数、定位和分类等功能。如在HVAC场合,可用于对房间内的人员进行计数,对房间墙壁温度进行测量,从而对室内采暖和空调系统进行自动精细调节,实现建筑物最大程度的节能降耗。

  随着科学技术水平的提高、计算机微处理器技术的发展、现代数字信号处理技术的提升、新型半导体等材料的推出和加工制造工艺的进步,红外传感器近年发展迅猛。据国外某研究机构预测,红外传感器全球销售额将会从2010年的$1.52亿美元增长到2016年的2.86亿美元。近年来,红外传感器的发展趋势主要体现在以下四个方面:

  一是采用新型材料和处理技术,使得传感器的红外探测率提高,响应波长增大,响应时间缩短,像素灵敏度和像素密度更高,抗干扰性能提高,生产成本降低。如Pyreos和Irisys公司已推出薄膜和陶瓷混合的新型热释电敏感技术,使得敏感元件可以实现阵列化。

  二是传感器的大型化和多功能化。随着微电子技术的发展和传感器的应用领域的不断扩大,红外传感器正从小型、单一功能,向大型化、多功能化方向发展。如国外所研制的大型红外传感器(16×16到64×64像素)除可进行温度场测量外,还可获得先进的、小型红外传感器所不具有的人体探测功能(即可精确定位个人在空间中的位置,即使人不活动,也可识别出)或大型区域的安全监视等功能,十分适宜于家庭自动化、医疗保健、安全防护等场合的应用。此外,新型多光谱传感器的研制,也大大改善了红外成像阵列的功能性。

  三是传感器的智能化。新型的智能红外传感器通常内置多个微处理器,具备傅里叶变换、小波变换等先进数字信号处理或补偿功能,自诊断功能,双向数字通信等功能,使得传感器的稳定性、可靠性、信噪比、便利性等性能大大提高。
四是传感器的进一步微型化、集成化。采用片上集成技术(包括盲元替代、非均匀性校正、部分图像处理功能等)和其它新的器件结构及新的制造工艺技术,在MEMS(微机电系统),甚至基于纳米科技的NEMS(纳机电系统)推动下,红外传感器尺寸大为缩小,功耗大大降低,集成度显著提高。由于红外传感器的优越性能,许多主流仪表研究单位和生产制造商对它的研发投入也越来越高。

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