超微制冷型仪

多年来，科学家、研究人员和研发专家热衷于将红外热像仪运用在广泛的应用领域中，包括工业研发、学术研究、无损检测(NDT)和材料检测，以及国防与航空航天等。但是，并非所有的红外热像仪均具有同等的品质功能，或者可用于一些专门的应用。譬如，要想获得精确的测量值，则需要配备高速定格动画功能的先进红外热像仪。今天，小菲就教大家如何选择制冷型和非制冷型红外热像仪！各有千秋制冷型红外热像仪先进的制冷型红外热像仪配有集成低温制冷机的成像探测器。这是一款可将探测器温度降低至制冷温度的设备。为了将热噪声降至场景成像信号水平之下，探测器温度的下降必不可少。制冷型红外热像仪是最敏感型红外热像仪，可探测物体间最细微的温差。它们工作在光谱中波红外(MWIR)波段和长波红外(LWIR)波段，因为从物理学角度来讲在这些波段热灵敏度较高。热灵敏度是指信号变化相对于目标温度变化。热灵敏度越高，就越容易探测那些目标温度与背景差异不大的场景。FLIR A6700sc是一款科研级中波红外锑化铟热像仪，能生成细节丰富的327,680像素热图像。非制冷型红外热像仪非制冷型红外红外热像仪是一款其中配备的成像探测器无需低温制冷的红外热像仪。常见的探测器设计基于热释电探测器，这是一种拥有较大温度测量系数的小型氧化钒电阻，表面积较大、热容量低，以及热绝缘效果佳。场景温度变化会导致红外探测器温度变化，从而将转化为电信号，并经过处理产生图像。非制冷型探测器用在长波红外(LWIR)波段中，与地面温度类似的目标在该波段中放射出的红外热能最多。相比制冷式探测器，非制冷型探测器的制造步骤更少，产率更高，真空包装成本更低，而且非制冷型红外热像仪无需极其高昂的低温制冷机设备。非制冷型红外热像仪配有较少的活动部件，在类似的工作条件下，其往往较制冷型红外热像仪具有更长的使用寿命。FLIR T650sc配备一台非制冷型氧化钒（VOx）微测辐射热计探测器，能生成640×480像素的热图像。非制冷型红外热像仪展现的优势带来了两难的问题：研发/科学应用什么时候使用制冷型红外热像仪？答案是：取决于应用需求。实例对比如果你想要发现微小的温差变化，需要图像质量，拍摄快速移动或发热目标；如果你需要看清热变化过程，或者测量极小目标的温度；如果你希望在非常明确的电磁波谱部位可见热对象；抑或你希望将红外热像仪与其他测温设备同步工作，制冷型红外热像仪则是适合你的仪器。01速度制冷型红外热像仪的成像速度快于非制冷型红外热像仪。高速热像成像的曝光时间可达到微秒，能够停止动态场景的表观运动，并可捕获每秒62,000帧以上的帧速率。其应用包括热分析和动态分析喷气式发动机涡轮叶片、汽车轮胎或安全气囊检测、超音速弹丸，以及爆炸等。制冷型红外热像仪具有极快的响应速度，并充分利用全局快门优势。这意味着它们能够同时读出所有的像素，而并非如非制冷型红外热像仪一样逐行读取，从而使制冷型红外热像仪能够捕获清晰的图像和对移动物体进行测温。这些红外图像对比了以20 mph速度旋转的轮胎的拍摄效果。左边这张是用制冷型红外热像仪拍摄的。您可能会觉得轮胎并未在转动，但这是制冷型红外热像仪在极其高速条件下的拍摄结果，它会“定格”轮胎的转动。非制冷型红外热像仪的拍摄速度太慢，无法捕捉到轮胎旋转时使得轮辐显得透明的瞬间。02空间分辨率下面热图像对比了采用制冷型和非制冷型红外热像仪系统可实现的特写放大效果。左边的红外图像是用带4倍近焦镜头和像元间距13μm制冷型红外热像仪的组合装置拍摄的，其光斑尺寸为3.5μm。右边的红外图像是用带1倍近焦镜头和像元间距25μm非制冷型红外热像仪的组合装置拍摄的，其光斑尺寸为25μm。由于传感红外波长较短，制冷型红外热像仪通常具有比非制冷型红外热像仪更强的放大功能。由于制冷型红外热像仪的灵敏度更高，因此可使用带更多光学元件或更厚元件的镜头而不降低信号噪声比，从而提升了放大功能。03灵敏度制冷型红外热像仪灵敏度改善带来的价值往往并不显而易见。为了对比灵敏度的优势，我们做了一个快速的灵敏度实验。我们将手按在墙上停留几秒钟来创建手印的热图像，以此进行对比。开始的两张图像显示了手移开瞬间的手印。第二组图像显示了两分钟后手印的热特征。您可看见：制冷型红外热像仪仍能捕捉手印的大部分热特征，而非制冷型红外热像仪仅能捕捉其部分热特征。显而易见，制冷型红外热像仪比非制冷型红外热像仪能检测到更细微的温差，其检测的持续时间也更长。这意味着：制冷型红外热像仪能更清晰地显示被测目标的细节，并能帮助您检测到最微弱的热异常。04光谱滤波制冷型红外热像仪优势之一是能够轻松进行光谱滤波，以便侦测细节和测温，而这两点使用非制冷型红外热像仪则难以做到。实例一：我们使用了滤片，将其置于镜头后的滤片支架内或者内置在杜瓦探测器组件内，以便让火焰完整成像。过去，终端用户希望测量和表征火焰内的煤颗粒的燃烧现象。借助“看穿火焰”的光谱红外滤片，我们对制冷型红外热像仪进行了光谱波段滤波处理，在该波段中火焰为穿透式，因而我们能够对煤颗粒进行成像。图一为不带火焰滤片拍摄的图像，我们看到的都是火焰本身。第二张图为带火焰滤片拍摄的图像，我们能够清晰地看清煤颗粒燃烧情况。05同步精确的红外热像仪同步和触发功能使红外热像仪成为高速、高热灵敏度应用的理想之选。通过快照模式工作，FLIR A6750sc能够同步捕捉热活动中的所有像素。这对于监测快速移动物体时尤其重要，在这种时候，标准的非制冷式红外热像仪会使图像变得模糊。图中的图像即是良好的示例。在该例中，我们扔下一枚硬币，并通过传感器触发红外热像仪拍摄图像。两次抛扔相同硬币时，同时触发红外热像仪，你每次都会看到物体处于相同的位置。借助非制冷式红外探测器红外热像仪，你根本无法捕获硬币，因为其无法触发此类型探测器。如果不走运的话，图像可能模糊不清。FLIR红外热像仪配备制冷型探测器的红外热像仪比配备非制冷型探测器的红外热像仪具有更多优势，但是这类热像仪价格更昂贵。FLIR高性能制冷型红外热像仪有FLIR A6750sc、A8300sc、SC6000、SC7000、SC8000、X6000sc和X8000sc，它们在红外中波和红外长波光谱波段中具有超快速、超灵敏性能，而FLIR A6250sc则可在近红外光谱波段中操作。FLIR还提供各种非制冷式红外热像仪，包括入门级桌面实验套件和像FLIR T650sc一样的高端系统。专用镜头和软件将让您的红外热像仪解决方案满足特定的应用。选择制冷型与非制冷型红外热像仪主要是根据您的用途

十多年来，FLIR光学气体成像（OGI）热像仪一直用来可视化各种气体泄漏。这些OGI热像仪的开发是为了“看到”各种气体，包括碳氢化合物、二氧化碳、六氟化硫、制冷剂、一氧化碳、氨等。FLIR OGI热像仪被应用于各行各业，包括减少排放、提高生产效率和确保安全的工作环境。与其他检测技术相比，OGI热像仪的一大优势是该技术能够在不中断工业过程的情况下精准定位气体泄漏部件。从历史上看，OGI热像仪一直采用制冷型红外探测器，与非制冷型红外探测器相比具有多个优势，但成本往往更高。非制冷型红外探测器技术的进步使得像FLIR OGI热像仪这样的制造商，能够为相关行业设计和开发成本较低的OGI解决方案。尽管成本较低，但与使用制冷型探测器的热像仪相比，使用非制冷型红外探测器的热像仪存在一定局限性。光学气体成像背后的科学在我们讨论OGI热像仪中制冷或非制冷探测器的问题之前，我们可以先解释这项技术背后的理论。光学气体成像可以比作通过普通的摄像机进行观察，但操作员看到的是一股类似烟雾的气体喷出。如果没有OGI热像仪，这将是肉眼完全看不见的。为了能看到这种气体飘动，OGI热像仪使用了一种独特的光谱(依赖于波长)过滤方法，使它能够检测到特定的气体化合物。在制冷型探测器中，滤波器将允许通过探测器的辐射波长限制在一个非常窄的波段，称为带通，这种技术被称为光谱自适应。光谱自适应OGI热像仪利用某些分子的吸收特性，将它们在原生环境中可视化。热像仪焦平面阵列（FPAs）和光学系统专门调整到非常窄的光谱范围，通常在数百纳米左右，因此具有超选择性。只能检测到由窄带通滤波器分隔的红外区域中的被气体吸收的红外波段。大多数化合物的红外吸收特性取决于波长。氢、氧和氮等惰性气体无法直接成像。黄色区域显示了一个光谱滤波器，设计用于对应大部分背景红外能量将被甲烷吸收的波长范围。（图中横坐标代表波长，纵坐标代表甲烷气体的透射率）如果将OGI热像仪对准没有气体泄漏的场景，视野中的物体将通过热像仪的镜头和滤光片透射和反射红外辐射。如果物体和热像仪之间存在气体云，并且该气体吸收滤波器带通范围内的辐射，那么通过气体云到达探测器的辐射量将减少或增加。具体情况要看气体云与背景的关系，云与背景之间必须有一个辐射的对比。总而言之，让气体可见的关键是：气体必须吸收热像仪看到的波段中的红外辐射；气体云必须与背景形成辐射对比；气体云的表面温度必须与背景不同。此外，运动使气体云更容易可视化。熟悉光学气体成像相关的波长为了解决理解“制冷与非制冷”光学气体成像热像仪的挑战，您需要了解与光学气体成像相关的波长以及这些热像仪中使用的探测器。OGI热像仪的两个主要波长通常被称为中波（3到5微米）和长波（7到12微米）。在气体成像领域，这些区域也可以称为“功能区”和“指纹区”。在功能区，一个热像仪可以看到单一类别的更多气体，而许多单独的气体在指纹区有特定的吸收特征。几乎所有碳氢化合物气体都在FLIR GF320的过滤区域(黄色部分)吸收能量，但在长波或指纹区域(蓝色部分)有不同的吸收特征虽然许多气体在中波和长波区域都有吸收特性，但也有气体仅在一个红外波段发射和吸收。有些气体在中波而非长波光谱中发射和吸收(如一氧化碳/CO)和吸收，另一些仅在长波光谱中发射和吸收（如六氟化硫/SF6）。这些气体不属于指纹或功能区，通常指烃类气体。下面是CO和SF6气体的红外光谱图。制冷与非制冷型探测器制冷型OGI热像仪使用需要冷却到低温（约77K或-321°F）的量子探测器，可以是中波或长波探测器。检测功能区碳氢化合物气体（如甲烷）的中波热像仪通常在3-5μm（微米）范围内工作，并使用锑化铟（InSb）探测器。检测SF6等气体的制冷型长波热像仪在8-12μm范围内工作，可以使用量子阱红外光电探测器（QWIP）。制冷型OGI热像仪有一个集成了低温冷却器的成像传感器，其可以将传感器温度降低到低温。传感器温度的降低对于将探测器噪声降低到低于被成像场景的信号水平是必要的。制冷机运动部件的机械公差非常小，随着时间的推移会磨损，氦气也会慢慢通过气体密封。最终，在运行1万至1.3万小时后，需要对冷却器进行重建。带有制冷探测器的热像仪有一个与探测器连接的滤波器。这种设计可以防止滤波器和探测器之间的任何杂散辐射交换，从而提高图像热灵敏度，进而会使光学气体成像仪更有效地可视化某些气体，甚至使OGI热像仪符合美国环保局的OOOOa或其他要求等监管标准。用制冷型热像仪拍摄墙上手印的图像和两分钟后再次拍摄的图像用非制冷型热像仪拍摄墙上手印的图像和两分钟后再次拍摄的图像非制冷OGI热像仪使用微测辐射热计探测器，不需要制冷探测器所需的额外零件。它们通常由氧化钒（VOx）或非晶硅（a-Si）制成，在7-14μm范围内具有响应性。它们比制冷型热像仪更容易制造，但热灵敏度或噪声等效温差（NETD）较差，这使得更难以可视化较小的气体泄漏。NETD是一个指标，表示热像仪可以探测的最小温度差异。上图显示了制冷和非制冷探测器灵敏度的差异。更好的NETD将使制冷型OGI热像仪检测气体的效果至少是非制冷的五倍。用于确定OGI热像仪检测气体效果的类似标准是噪声等效浓度长度（NECL），该标准确定在定义的拍摄距离上可以检测到多少气体。例如，用于甲烷检测的FLIR GF320制冷型OGI热像仪（3-5μm探测器）的NECL小于20 ppm*m，而非制冷型（7-14μm探测器）的NECL大于100 ppm*m。对于非制冷型的OGI热像仪，另一个需要考虑的是滤波器。有些热像仪没有在长波光谱中过滤，这意味着它们只是一个完全开放的探测器，使用独特的分析来可视化气体。FLIR的高灵敏度模式(HSM)是利用软件和分析来增强气体可视化的热像仪示例。有些热像仪内部设置更有针对性的过滤器。这些滤波器可能与镜头有关，在探测器和镜头之间，以多种方式设计。使用非制冷过滤，由于限制到达热像仪探测器的辐射，您会失去热灵敏度。这将导致产生更高的NETD热灵敏度值，但可以提供与气体成像相关的更好图像。随着光谱滤波器宽度变窄以聚焦于特定气体时，来自场景的辐射减少，而探测器的噪声保持不变，来自滤波器的反射辐射增加。这会产生与气体成像相关的更高质量的图像，但会降低热像仪用于温度测量（辐射测量）的热灵敏度。当你使用冷滤镜时，比如制冷型OGI热像仪，这种现象就可以避免，因为反射的辐射量非常小。如何选择制冷与非制冷型OGI热像仪气体显示：在选择OGI热像仪时，首要考虑因素是确保热像仪能够显示气体。之后，再做出综合的考量，而不仅仅基于价格。制冷型的优势：虽然它们的价格可能更高，但制冷型OGI热像仪有相当大的优势。如上所述，这些单元属于烃类气体的功能区域，这意味着只需要一个热像仪就可以看到各种各样的气体。在某些情况下，指纹区域需要多个热像仪才能达到相同的结果。中波热像仪的另一个独特优点是不受水蒸气的干扰。如上图所示，水蒸气在长波或指纹区域有很强的吸收，这可能会导致使用长波热像仪时图像的不确定性。灵敏度和图像质量：在选择OGI热像仪时，提高灵敏度和图像质量也是需要考虑的重要因素。这些不仅影响了对小泄漏的可视化能力，而且在试图满足监管标准时也可能是相当大的因素。FLIR GF320甲烷和VOC检测用红外热像仪非制冷的优势：随着非制冷型OGI热像仪在市场上的推出，这项新技术具有优势。首先，非制冷型OGI热像仪的制造成本大大降低，从而导致市场价格降低。由于设计简单，无需冷却器，因此维护成本也较低，这可能使其更适合连续、24/7全天候运行的应用。无论你是想省钱、满足监管标准、提高工人安全，还是仅仅想成为一名好的环境管理员，如今你的选择比以往任何时候都多，当然有时也可能会让人困惑。选择OGI热像仪的决定有很多因素，而不仅仅是价格。FLIR提供了市场上最广泛的OGI热像仪选择和阵列，可以让您拥有更多选择。

瑞士巴塞尔大学物理学家开发出一种新的制冷技术，用超冷原子气体作制冷剂，把一种膜振动冷却到绝对零度以上1摄氏度之内。这一技术可用于给量子机械系统制冷，有望让量子物理实验系统变得更大，并带来新的精密检测设备。相关论文发表在最近的《自然· 纳米技术》杂志上。　　超冷原子气体是目前最冷的物质之一，是用激光束把原子陷落到一个真空室内，使它们运动得越来越慢，由此温度达到绝对零度以上不足百万分之一摄氏度。在这种温度下，原子服从量子物理法则：它们就像一个个小波包那样来回运动，能同时处在多个位置并互相叠加。目前已有许多技术利用了这些特征，如原子钟及其他精密检测仪器。　　在新研究中，巴塞尔大学物理系教授菲利普· 图特莱恩领导的研究小组就是用这种超冷气体作为制冷剂，把一块1毫米见方的振动膜冷却到绝对零度以上不足1摄氏度。据物理学家组织网近日报道，该膜是一块50纳米厚的氮化硅膜，上下振动就像一面小鼓的鼓皮。这种机械振动是永远不会完全静止的，它表现了一种热振动，取决于膜的温度。　　由于原子极微小，迄今造出的最大原子云也只有几十亿个超冷原子组成，比一粒沙子包含的粒子数还少，所以原子云制冷的力量极为有限。　　&ldquo 这里的诀窍是，希望膜以何种模式振动，就把原子的全部制冷力量都集中到这种振动模式上。&rdquo 研究小组成员安德里亚· 乔克尔说，原子和膜之间的相互作用由激光束引起，&ldquo 激光对膜和原子产生了压力，膜的振动改变了光对原子的压力，反之亦然。&rdquo 激光能跨越几米远的距离传递制冷效应，所以原子云无需直接与膜接触。这种连接作用还可以通过两面镜子组成的光学共振器放大，膜在两面镜子之间，就像三明治。在本实验中，虽然薄膜包含的原子数是原子云的10亿倍，研究人员还是观察到了很强的制冷效应。　　以往科学家只是理论上提出，可以用光来连接超冷原子和机械振荡。本研究是世界上首次在实验中实现了这一系统，并用它来给振荡物体制冷。研究人员指出，如果进一步改进该技术，还可能把膜振动制冷到量子力学基态。　　对研究人员来说，用原子冷却膜只是第一步。图特莱恩说：&ldquo 与光致作用相结合，能很好地控制原子的量子性质，这为量子膜控开辟了新的可能。&rdquo 人们有可能用相对宏观的机械系统来做量子物理实验，以前所未有的精确度检测膜振动，反过来开发出针对微小力和质量的新型传感。