工业红外热像仪

红外热像仪是发达国家及其他国家军队装备重点方向,全球军用红外热像仪市场一直以10%的稳定速度增长。2004至2009年我国国防费年复合增长率是17.81%,且国防费GDP占比远低于其它国家,存在发展空间。而红外热像仪也是我国科技强军的重点方向,目前普及率很低,潜在需求超过20万台,市场空间超过200亿元。　　 　我国民用红外热像仪市场进入成长期,车载红外和视频监控将成为民用领域未来的增长点,目前已具备高增长潜力,而军用领域正处于快速成长期,即将展开爆发式增长。红外产品具有夜视、测温等基础功能,是一项平台性技术,可以广泛应用到电力、检疫、检测、交通、安防等各个行业,市场空间广阔。全球民用红外热像仪09年市场规模为30.45亿美元,预计2014年达61.77亿美元,年复合增长率15%。 　高德红外上市　　高德红外是国内红外热像仪生产商龙头企业。公司主要从事红外热像仪及其综合光电系统生产制造。红外热像仪广泛应用于军事、安防、电力、检疫、交通等工业、商业领域。09年公司红外热像仪国内产销规模最大 在国际上,公司测温型热像仪08年全球排名第四,显示出一定的国际竞争力。　 高德红外公司掌握红外热像仪全系统设计制造能力,技术优势突出。除红外焦平面探测器采用行业一般的外购模式外,公司掌握了红外热像仪光学系统、电路设计、图像处理等各部件关键设计制造技术,并具备整机一体化全系统设计生产能力。产品以热像仪为基础,逐渐向测温及综合光电系统产品发展,进入高端系统产品研发企业行列。　 高德红外形成了全方位的营销能力体系。军用领域,公司较早取得国家武器装备生产资质,是我国为数不多的向三军提供热像仪产品的民营企业之一。政府公共领域,公司热像仪产品已深入应用到政府装备、大型工程等领域,如地震现场监测、H1N1检疫等。海外市场上,公司建立了遍布全球68个国家和地区的经销网络,08年海外收入占比76.93%。　　2010年7月16日,高德红外在深圳证券交易所上市交易。

在采矿工业中，有毒化学制品(如氰化物和硫酸)被广泛用于金属提取。无论这些化学制品何时发生意外泄漏，都会立即给环境带来严重的影响。传统的监控系统在及早检测少量泄漏方面显得非常吃力。有鉴于此，加拿大视频分析技术专家IntelliView最近开发出用于监控地上设施的DCAM™ 双摄像头分析解决方案。IntelliView利用FLIR A65热像仪，为金矿开采行业打造了一款根据温度和发射率差异发现表面液体泄漏的先进解决方案。金矿开采金矿开采行业采用一种称之为氰化的工艺，通过把金转化成水溶性物质从低品位矿石中提取金。矿石通常被大堆大堆地收集，然后被浸出液灌溉以溶解贵重金属。溶解液随后渗透矿堆，沥出目标矿物和其它矿物。然后，含有溶解矿物的浸出液被收集起来，并在工艺设备中进行处理以提取目标矿物。 提取之后，水、化学制品和沙子的混合物被抽回尾矿池提纯，然后被抽回浸轧机再次利用。通常，尾矿池位于远离矿山的位置。地上管道在矿山和尾矿池之间运输水溶性混合物。不幸地，由于春秋之交的温度变化，抑或是由于未预料到的事件，如管道损坏、地层移动、人为错误或故意破坏等，管道容易发生泄漏。液体泄漏检测“借助标准的泄漏检测技术，如压力传感器或大量计算，很难在早期就检测到少量泄漏，这主要是泄漏规模较小的缘故。标准方法的精确度一般为1%到5%，”IntelliView产品开发副总裁Shane Rogers表示。“然而，在采矿业中，管道通常以定期步行和/或乘车人工巡检的方式进行监控。毋庸置疑，这种运营方式代价高昂，更不必说这绝不可能是无懈可击的全天候控制过程。多年来，采矿工业极为关心泄漏和水资源管理对环境的影响，并且一直在积极寻求改进监控方法。” 考虑到这些需求，IntelliView开发出一种行之有效的、能在数秒钟之内检测和报警小规模地上液体泄漏、喷射和汇聚成池的方法。IntelliView的泄漏检测解决方案采用新一代称之为DCAM™ (双摄像头分析模块)的产品，一款将可见光相机和FLIR热像仪与内置专利型泄漏分析技术集于一体的紧凑型产品。IntelliView的DCAM™ (双摄像头分析模块)将可见光相机与FLIR热像仪相结合，且内置专利型泄漏分析软件。在视场内，DCAM可检测到数秒内发生的小至6升/分钟的泄漏。在视场内，DCAM可检测到数秒内发生的小至6升/分钟的泄漏。接下来，该软件会基于用户定义的泄漏参数自动分析事件，如果确定报警条件，会生成带图像和视频的报警通知以便即时验证。作为一款设计用于多个应用场景的系统，该泄漏分析软件能与安全监控分析软件相结合，用于监控场所和资产的入侵、闲荡、盗窃及其它相关事件。热成像提供早期预警“我们发现热成像是一种在极早阶段检测液体泄漏的有效方法，”Shane Rogers表示。“我们的DCAM解决方案着眼于管道中水/化学制品混合物与环境温度的温差。通常，两者之间的温差足以使检测有效。如若不然，热像仪也能根据发射率特性检测到泄漏。与运动检测功能协作，我们的视频分析技术能够进行高精度、非常智能的液体泄漏检测。”一辆部署在实地的IntelliView拖车：这款防风雨的自足式拖车配备多个DCAM™ 装置和绿色电源选项(燃料电池和太阳能电池板)。DCAM提供了一种行之有效的、能在数秒钟之内检测和报警小规模地上液体泄漏、喷射和汇聚成池的方法。“从操作的角度来看，热成像技术的运用具有一些明显的优势，”Shane Rogers继续道。“当然，检测温差使得泄漏检测非常准确，此外，相对而言，该技术不受雨、雪、雾的影响，而且夜晚使用时无需附加照明。”管理假报警IntelliView DCAM系统还配备一台可见光相机，用于视觉确认。当基于热信息的报警和泄漏分析软件的评估生成之后，操作员可以对事件的性质作出有理有据的推断，观察该事件是有效的还是无效的报警，然后决定需要采取哪些措施以防止进一步损坏或处理危机。得益于FLIR热像仪，DCAM系统能够提供极为精确的检测结果，而且假警报率极低。“正如在任意视频分析系统中一样，需要在准确检测与最大限度地减少假报警之间进行权衡，”Shane Rogers称。“尽管避免假报警几乎是不可能的，但是必须排除大量不需要的报警，不然检测系统将变得一无是处。我们发现，DCAM将可将光相机与FLIR热像仪相结合的做法非常有效，这样不但能提供精确的检测结果，而且假报警率极低。”FLIR A65紧凑型热像仪IntelliView决定将FLIR A65集成到DCAM系统中。FLIR A65是一款紧凑型红外热像仪，能生成640×512像素的高质量热图像，可显示小至50 mK的细微温差。该系列提供10个视场角选项，可更大程度地控制测量区域，并且能够在高至60°C的温度下操作。FLIR A65能生成640×512像素的高质量热图像，可显示小至50 mK的细微温差。“FLIR A65正是我们的DCAM解决方案需要的设备，”Shane Rogers称。“A65外形紧凑，易于集成，性价比高。其功能齐全，具有较高的分辨率，配备多种规格的镜头，能够识别绝对温度，为我们的分析算法提供关键信息。最后但同样重要的是，该热像仪的环境参数使其表现极为出色，即便在严酷的温度下。” IntelliView已使用FLIR技术多年，尤其是FLIR Tau热像仪机芯。但是直到最近，该公司才选择FLIR A65自动化热像仪。主要原因是该热像仪采用GigE Vision接口。GigE Vision是首个允许使用低成本标准电缆长距离、快速传输图像的标准。借助GigE Vision，来自不同厂商的硬件和软件能够通过千兆以太网连接无缝协作。无与伦比的图像质量“FLIR是热成像领域的领导者，”Shane Rogers如是说。“当然，这也是我们在DCAM解决方案中选择使用FLIR A65的其中一个原因。但是对我们更重要的是，FLIR使我们能够获取市场上独一无二的、拥有如此高质量细节的热图像，据我们所知，大多数热像仪制造商都无法做到这一点。图像上的每一像素都能提供准确的温度信息，而大多数热成像解决方案仅仅提供相对温度值。就这一点而论，FLIR毫无疑问地促进了我们向金矿开采行业提供能显著降低泄露事件风险的有效检测方案。

疫情期间使得红外热像仪的市场大大增加，在商场、机场、火车站等人流密集的地方随处可见，无需接触即可准确测量人体温度。那么红外热像仪是怎样工作的呢？本文对有关知识做简要介绍，以飨读者。红外热像仪，是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。通俗地讲红外热像仪就是将物体发出的红外光转变为可见的热图像，热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。使用红外热像仪，安全——可测量移动中或位于高处的高温表面；高效——快速扫描较大的表面或发现温差，高效发现潜在问题或故障；高回报——执行一个预测性维护程序可以显著降低维护和生产成本。但在疫情爆发之前，红外热像仪在工业测温场景使用得更广泛，需求也更稳定。在汽车研究发展领域——射出成型、引擎活塞、模温控制、刹车盘、电子电路设计、烤漆；在电机、电子业——电子零组件温度测试、印制电路板热分布设计、产品可靠性测试、笔记本电脑散热测试；在安防领域的隐蔽探测，目标物特征分析；在电气自动化领域，各种电气装置的接头松动或接触不良、不平衡负荷、过载、过热等隐患，变压器中有接头松动套管过热、接触不良（抽头变换器）、过载、三相负载不平衡、冷却管堵塞不畅等，都可以被红外热像仪及时发现，避免进一步损失。对于电动机、发电机：可以发现轴承温度过高，不平衡负载，绕组短路或开路，碳刷、滑环和集流环发热，过载过热，冷却管路堵塞。红外热像仪通过探测目标物体的红外辐射，然后经过光电转换、电信号处理及数字图像处理等手段，将目标物体的温度分布图像转换成视频图像。分为以下步骤：第一步：利用对红外辐射敏感的红外探测器把红外辐射转变为微弱电信号，该信号的大小可以反映出红外辐射的强弱。第二步：利用后续电路将微弱的电信号进行放大和处理，从而清晰地采集到目标物体温度分布情况。第三步：通过图像处理软件处理放大后的电信号，得到电子视频信号，电视显像系统将反映目标红外辐射分布的电子视频信号在屏幕上显示出来，得到可见图像。在不同的应用领域，对于红外热像仪的选择有不同的要求，主要考虑因素有热灵敏度——热像仪可分辨出的最小温差（噪音等效温差）、测量精度。反应到电路上，最应注意的既是第二步电信号的放大和采样。实际上，从信号处理，到数据通信，到温度控制反馈，都有较大的精度影响因素。红外热像仪的电路框图如图所示，基本工作步骤为：FPA探测器——信号放大——信号优化——信号ADC采样——SOC/FPGA整形与预处理——信号图形及数据显示，其间伴随TEC（热电制冷器）对探测器焦平面温度的反馈控制。热像仪中需要采集的信号为面阵红外光电信号，来源于红外探测器，通过将红外光学系统采集的红外信号FPA转换为微弱电信号输出，选择OP AMP时需要注意与FPA供电类型匹配及小信号放大。根据红外热像仪的使用场合，去选择适合的运放，达到最优的放大效果和损耗最小的放大信号。运放的多项直流指标都会直接影响到总的误差值。比如，VOS、MRR、PSRR、增益误差、检测电阻容差，输入静态电流，噪声等等。需要根据实际应用的特点，择取主要误差项目评估和优化。比如 CMRR 误差可以通过减小 Bus 电压纹波优化。PSRR 误差,可以通过选用 LDO 给 OPA 供电优化。提供一个好的电源，LDO 的低噪声和纹波更利于设计，选用供电LDO。在图三中的光电信号放大处，使用了TPH250X系列的OP AMP，特点是高带宽、高转换速率、低功耗和低宽带噪声，这使得该系列运放在具有相似电源电流的轨对轨 输入/输出运放中独树一帜，是低电源电压高速信号放大的理想选择。高带宽保证了原始信号完整性，高转换速率保证了整机运算的第一步速度，低宽带噪声保证了FPGA/SOC处理的原始信号的真实性。对于制冷型红外探测器，热电制冷器必不可少，它保障了FPA探测器的焦平面工作温度温度的稳定和灵敏，对于制冷补偿的范围精度要求较高。用电压值表示外界设定的FPA工作温度，输入高精度误差运放，得出差值电压，经过放大器运算后，对FPA进行补偿，从而使FPA温度稳定。在该系统中，AD转换芯片的性能决定了FPA的相位补偿量，决定了后端红外成像的质量。根据放大后输出信号的电压范围和噪声等效温差及响应率，可以计算AD转换芯片的分辨率，此处使用了16 bit高分辨率的单通道低功耗DAC，电源电压范围为2.7V至5.5V。5v时功耗为0.45 mW，断电时功耗为1 μW。使用通用3线串行接口，操作在时钟率高达30mhz，兼容标准SPI®、QSPI™和DSP接口标准。同时满足了动态范围宽、速度快、功耗低的要求。对于一般的工业红外热像仪的补偿来说，TPC116S1已经足够。此外，对于整体的供电而言，FPGA/SOC的分级供电，电源管理芯片的选择要适当。对于运放和ADC的供电，为减小误差，需要低噪声的LDO，以保证电源电压恒定和实现有源噪声滤波。LDO输出电压小于输入电压，稳定性好，负载响应快，输出纹波小。具有最低的成本，最低的噪声和最低的静态电流，外围器件也很少，通常只有一两个旁路电容。而在总体的供电转换中，使用了DCDC——TPP2020，它的宽范围，保证了电源设计的简洁。内置省电模式，轻载时高效，具有内部软启动，热关断功能。DC-DC一般包括boost（升压）、buck（降压）、Boost/buck（升/降压）和反相结构，具有高效率、宽范围、高输出电流、低静态电流等特点，随着集成度的提高，许多新型DC-DC转换器的外围电路仅需电感和滤波电容，但是输出纹波大，开关噪声较大、成本相对较高，故在电源设计中，用量少且尽量避开灵敏原件，以避免对灵敏原件的干扰。红外热像仪既可以走入民用，成为各个家庭的健康小帮手，也可以是精密工业电子的好伙伴。面对不同的市场，组成它的电子元器件也有不同的选择。而不变的是，精密的设计对于真实的反映，特别是模拟器件。