人類第六感的「黑科技」——紅外熱像儀

紅外熱像儀民用逐步升溫

如果你還認為熱像儀是高端專業設備，是軍用設備，離我們還很遙遠，不好意思，你已經out了!我們印象中的熱像儀經常出現在某軍偵查、航海作業等專業化行動中，而如今，熱像儀的應用幾乎就遍布我們身邊。近些年來，隨著手持式紅外熱像儀的發展和普及，已從軍用專業精密 儀器 逐漸轉型成便攜帶、智能化、甚至自帶Wi-Fi/雲熱像的民用普及產品。如果你在為水管哪裡漏水、手機或電視屏幕哪有壞點、或是身體哪裡有炎症等問題煩心時，可以驚喜地告訴你：手持熱像儀，可一站式解決此類問題，還可上傳雲端進行保存、大數據管理。

同樣，諸多行業也在因熱像儀的普及而發生著改變：比如，如果消防員有一部手持熱像儀，就可以準確判斷著火點位置，還可準確發現被困人員所處位置;比如，地震發生時，如果無人機帶有熱像儀，就可以在第一時間衝過重重阻礙，探明災區情況，即時發現被困人員，不會再現從前第一批救援人員只能「摸石探路」的情況，耽誤最佳救援時間;再比如，小到普通商店或家庭、大到國家，安防系統運用熱像儀，就能準確判斷是否有不安全因素存在;還比如，生產加工產品過程中，許多用肉眼無法觀察、普通儀器有精度限制的檢測中，如果有熱像儀，那一切問題便「一目了然」。

紅外熱像儀的應用目前已遍布我們生活的各個角落，從常見的醫學成像到就在我們身邊的光譜探測，從我們逐漸了解的食品檢測到軍事所用的雷達建模，從日常最熟悉的安全檢查到即將到來的自動駕駛、智慧生活。

FLUKE可視紅外測溫儀VT02是電工和維護技術人員的檢測工具

紅外熱像儀的工業應用場景

或許你對紅外熱像儀的工業應用不大熟悉，下面簡單介紹紅外熱像儀在工業自動化中的應用：紅外熱像儀可在自動化檢查、加工過程式控制制、狀態監測、火災預防和監測，以及連續光學氣體成像等五種應用中發揮無可替代的作用。

食品生產線質量控制汽車擋風玻璃除霜檢驗

控制自動化焊機中管道的定位高壓設備的熱檢驗

鋼包上的熱點顯示可能存在故障持續監測倉庫

探測廢料倉中的火災風險變壓器溫度過高

紅外熱像儀發展潛力巨大，已迎來黃金髮展時期

曾經的紅外熱成像的發展主要由國防應用推動，出來的最新產品也主要應用于軍用產品。十年的發展幾乎讓這一現象遂成往事，如今熱成像的廣泛應用在消防、PVS、海事、無人機、機器人、智能建築、智能家居和智慧商店等市場的大規模發展，讓紅外感測器在商業中的應用前景非常樂觀。就熱成像市場的領導者FLIR舉例，2015年至今三年來，FLIR共出貨了100萬個Lepton機芯，集成於超過20多種產品中(Lepton是一款為FLIR帶來巨大成功的關鍵紅外機芯);同時，FLIR開闢了一條充滿智慧的戰略，將非製冷紅外成像技術針對各種不同的應用引入廣泛的產品中，使非製冷紅外成像技術獲得更廣泛的應用，贏得更大的市場。

就國內而言，紅外熱像行業作為高科技行業，行業發展前景廣闊。據不完全統計我國紅外熱成像技術市場的潛在需求可達500~600億元，而目前市場狀況僅處於起步階段，到2020年，紅外成像市場將增長20%以上。國內如高德紅外、大立科技、颯特紅外、海康威視等領頭企業也在近十年中發展迅猛，新產品新應用緊跟時代步伐。

紅外熱像儀是如何工作的?

紅外熱成像是一種可將紅外圖像轉換為熱輻射圖像的技術，該技術可從圖像中讀取溫度值，是一種無損檢測技術。

紅外熱像儀(Infrared Thermal Imager)則是一種用來探測目標物體的紅外輻射，並通過光電轉換、電信號處理等手段，將目標物體的溫度分布圖像轉換成視頻圖像的高科技產品。

那紅外熱像儀究竟是如何工作的呢?

1、紅外熱成像儀的工作範圍

在自然界中，只要溫度高於絕對零度(-273℃)的物體都能輻射電磁波。紅外線是自然界中的電磁波最為廣泛的一種存在形式，它是一種能量，而這種能量是我們肉眼看不見的。任何物體在常規環境下都會產生的自身的分子和原子無規則運動，並不停地輻射出熱紅外能量。

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，構成了一個完整連續的電磁波譜。如上圖所示，波長範圍是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、煙雲等吸收紅外線也跟紅外輻射的波長有關，對於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境中進行觀測而不會產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為可見的熱圖像。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，熱圖像能夠呈現景物各部分的輻射起伏，從而能顯示出景物的特徵。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化成電信號，再經過放大和視頻處理，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，能探測到小於0.1°C的溫差。例如，FLIR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和先進的數學演算法，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製冷型/非製冷性

製冷式熱成像儀，其探測器中集成了一個低溫製冷器，這種裝置可以給探測器降溫度，這樣是為了使熱雜訊的信號低於成像信號，成像質量更好。

非製冷式熱成像儀，其探測器不需要低溫製冷，採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。

製冷型熱成像儀(左)和非製冷型熱成像儀(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值，這種系統可以作為 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生躍遷形成晶體內的自由電子，產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恆定。

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數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：由於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麼差別。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，通常廣泛應用於工作溫度接近室溫場合，被稱為「非製冷」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

儘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勢。不過熱電堆探測器製作容易與集成電路工藝兼容，信號後處理電路也比較簡單，具有低成本的潛力，對紅外成像圖像質量要求不高的社區保安、安全監控、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。隨著微電子技術的蓬勃發展，提出了微電子機械系統(MEMS)的概念，進而發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，在熱結端相連，熱結與冷結間存在溫度差dT，那麼在冷結的兩個梁間就會產生開路電勢dV。為提高探測器的性能，理想熱電偶材料的特徵應該是同時具有低熱導率、高電導率和高塞貝克係數，但實際上這幾個因素間彼此也有影響，由一品質因數Z限定。

塞貝克效應示意圖(圖中A和B構成一對熱電偶)

紅外熱電堆感測器的應用領域主要有：健康領域(耳溫槍、額溫槍、 壓力感測器 、嬰兒恆溫箱等)、工業領域(測溫槍、複印機、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、烘乾機、電暖氣等)、照明領域(LED控制開關)、汽車領域(車內空調及排風等)。

紅外熱電堆感測器眾多的應用領域

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