红外传感关键技术.docx
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红外传感关键技术.docx
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红外传感关键技术
1概述
物联网最初是以美国麻省理工学院Auto—ID中心研究产品电子代码为核心,运用射频辨认、无线数据通信等技术,基于计算机互联网构造实物互联网。
简朴地说,物联网就是将各种信息传感设备如射频辨认装置、红外感应器等与互联网结合形成一种巨大网络,让有关物品都与网络连接在一起,以实现物品自动辨认和信息互联共享。
射频辨认(RFID)技术当前已经很成熟,射频辨认系统阅读器发送频率基本上划归三个范畴:
(1)低频(30kHz~300kHz);
(2)中高频(3MHz~30MHz);(3)超高频(300MHz~3GHz)或微波(>3GHz)。
虽然理论上无线电频谱是无限,但是在实际制造技术中,在某一种时间段里面可以使用频率资源是有限,各个无线电系统之间如何区别,而当前咱们生活中无线电使用又非常多,这个数字会越来越大,也同步使有限频谱中更加拥挤。
物联网中无线电设备都需要使用频率资源,大量使用将会给频率,频谱管理带来很大挑战。
因而,迫切需要开发涉及红外技术在内更多技术,来代替物联网终端通信。
红外线是波长在750nm至1mm之间电磁波,它频率高于微波而低于可见光,是一种人眼睛看不到光线。
红外通信普通采用红外波段内近红外线,波长在0.75μm~25μm之间。
由于红外线波长较短,对障°-物衍射能力差,适合于短距离、方向性强无线通讯场合。
红外线通信是一种便宜、近距离、无线、低功耗、保密性强通讯方案,重要应用于近距离无线数据传播,也有用于近距离无线网络接入。
2红外传感原理
红外技术发展到当前,已经为人们所熟知,这种技术已经在当代科技、国防和工农业等领域获得了广泛应用。
红外传感系统是用红外线为介质测量系统,按照功能可以提成五类:
(1)辐射计,用于辐射和光谱测量;
(2)搜索和跟踪系统,用于搜索和跟踪红外目的,拟定其空间位置并对它运动进行跟踪;(3)热成像系统,可产生整个目的红外辐射分布图像;(4)红外测距和通信系统;(5)混合系统,是指以上各类系统中两个或者各种组合。
2.1红外探测机理
不同种类物体发射出红外光波段是有其特定波段,该波段红外光处在可见光波段之外。
因而人们可以运用这种特定波段红外光来实现对物体目的探测与跟踪。
将不可见红外辐射光探测出并将其转换为可测量信号技术就是红外探测技术。
从当前应用状况来看,红外探测有如下几种长处:
环境适应性优于可见光,特别是在夜间和恶劣天候下工作能力;隐蔽性好,普通都是被动接受目的信号,比雷达和激光探测安全且保密性强,不易被干扰;由于是对目的和背景之间温差和发射率差形成红外辐射特性进行探测,因而辨认伪装目的能力优于可见光;与雷达系统相比,红外系统体积小,重量轻,功耗低;探测器光谱响应从短波扩展到长波;探测器从单元发展到多元、从多元发展到焦平面;发展了种类繁多探测器和系统;从单波段探测向多波段探测发展;从制冷型探测器发展到室温探测器;由于红外探测技术有其独特长处从而使其在军事国防和民用领域得到了广泛研究和应用,特别是在军事需求牵引和有关技术发展推动下,作为高新技术红外探测技术在将来应用将更加广泛,地位更加重要。
红外探测器是将不可见红外辐射能转变成其他易于测量能量形式能量转化器,作为红外整机系统核心核心部件,红外探测器研究始终是红外物理与技术发展中心。
自18Herschel发现太阳光谱中红外线时所用涂黑水银温度计为最早红外探测器以来,随着红外实验和理论发展,新器件不断涌现。
红外探测器制备涉及物理、材料、化学、机械、微电子、计算机等多学科,是一门综合科学。
(1)热探测器:
热探测器吸取红外辐射后,温度升高,可以使探测材料产生温差电动势、电阻率变化,自发极化强度变化,或者气体体积与压强变化等,测量这些物理性能变化就可以测定被吸取红外辐射能量或功率。
分别运用上述不同性能可制成各种热探测器:
①液态水银温度计及气动高莱池(Golaycell):
运用了材料热胀冷缩效应。
②热电偶和热电堆:
运用了温度梯度可使不同材料间产生温差电动势温差电效应。
③石英共振器非制冷红外成像列阵:
运用共振频率对温度敏感原理来实现红外探测。
④测辐射热计:
运用材料电阻或介电常数热敏效应—辐射引起温升
变化材料电阻—用以探测热辐射。
因半导体电阻有高温度系数而应用最多,测温辐射热计常称“热敏电阻”。
此外,由于高温超导材料浮现,运用转变温度附近电阻陡变超导探测器引起注重。
如果室温超导成为现实,将是21世纪最引人注目一类探测器;
⑤热释电探测器:
有些晶体,如硫酸三甘酞、铌酸锶钡等,当受到红外辐射照射温度升高时,引起自发极化强度变化,成果在垂直于自发极化方向晶体两个外表面之间产生微小电压,由此能测量红外辐射功率。
(2)光子探测器
光子探测器吸取光子后,自身发生电子状态变化,从而引起内光电效应和外光电效应等光子效应,从光子效应大小可以测定被吸取光子数。
①光电导探测器:
又称光敏电阻。
半导体吸取能量足够大光子后,体内某些载流子从束缚态转变为自由态,从而使半导体电导率增大,这种现象称为光电导效应。
运用光电导效应制成光电导探测器分为多晶薄膜型和单晶型两种。
②光伏探测器:
重要运用p-n结光生伏特效应。
能量不不大于禁带宽度红外光子在结区及其附近激发电子空穴对。
存在结电场使空穴进入p区,电子进入n区,两某些浮现电位差,外电路就有电压或电流信号。
与光电导探测器比较,光伏探测器背景限探测率大40%,不需要外加偏置电场和负载电阻,不消耗功率,有高阻抗。
③光发射-Schottky势垒探测器:
金属和半导体接触,形成Schottky势垒,红外光子透过Si层被PtSi吸取,使电子获得能量跃迁至费米能级,留下空穴越过势垒进入Si衬底,PtSi层电子被收集,完毕红外探测。
④量子阱探测器(QWIP):
将两种半导体材料用人工办法薄层交替生长形成超晶格,在其界面有能带突变,使得电子和空穴被限制在低势能阱内,从而能量量子化形成量子阱。
运用量子阱中能级电子跃迁原理可以做红外探测器。
因入射辐射中只有垂直于超晶格生长面电极化矢量起作用,光子运用率低;量子阱中基态电子浓度受掺杂限制,量子效率不高;响应光谱区,低温规定苛刻。
一、成果简介
本项目为国内带来自己红外芯片技术,并已开发出接近产品性能热像仪,打破了美国对中华人民共和国芯片禁运和技术封锁,以及欧洲在中华人民共和国市场芯片垄断。
更重要是,本项目红外芯片开创了光读出新一代热像仪,芯片成本大大减少,系统设计大大简化,将热像仪生产成本降到与普通摄像机接近,这一优势使得本技术有能力在全球范畴内与FLIR等红外巨头竞争。
二、技术指标
本项目技术采用一种新颖光读出办法,通过芯片将红外信号转换为可见光信号,用成熟CCD和CMOS成像系统来观测可见光信号,从而得到热图像。
这种做法好处是红外芯片是一种信号转换器,不需要读出电路,因而生产成本低。
信号读出通过老式CCD或CMOS芯片,其自身和后端信号读出和解决已非常成熟,不需要专门设计。
这样,芯片和系统价格都大大减少了。
并且,本项目创造芯片敏捷度高,响应时间短,已成功制造出性能远高于国内各大研究所红外成像芯片,并获得了优质视频录像,在光读出热像仪领域世界领先。
本项目已进入产品开发阶段和芯片性能进一步提高。
三、应用阐明
任何物体均有热辐射,即红外辐射。
热像仪探测物体热辐射,并将景物温度分布形成视频图像,因而在全黑状况下也能清晰成像。
热像仪具备很高军事和民用价值。
在军事上可用于夜视侦查、武器瞄具、搜索跟踪、卫星遥感、导弹定位等;在民用方面,用于安防、汽车夜视、消防、无接触全景测温(电力、煤炭、石油化工等)、建筑缺陷检测、设备诊断、生产监控、自动测试等。
热像仪发展始于美国,最开始应用于军事领域夜视仪,其使用致冷技术技术难度大,一台热像仪售价可高达100万美元。
图1为美国FLIR公司热像仪在全黑状况下摄取夜视图。
随着非制冷红外技术发展,热像仪价格大大下降,当前零售价在1万美元左右,因而在民用领域开始得到广泛应用。
例如在,美国FILR公司获得了宝马公司为其新款7系列轿车配备热像夜视仪批量订单。
全球民用热像仪销售额为16.3亿美元,同比增长17.35%。
据美国权威红外热像仪征询公司MaxtechInternational预测,将来5年全球民用红外热像仪市场需求年均增长率为15%,到,全球民用红外热像仪市场需求将达到40亿美元。
随着国内经济、社会迅速发展,热像仪行业具备巨大发展空间。
仅国内军队热像仪需求量就达200多亿元。
长期来看,民用市场潜在需求巨大。
例如,由于红外成像透烟雾及测温特性,热像仪广泛用于消防火场搜索和救生设备。
当前在发达国家,消防车配备热像仪已成为一种趋势。
据记录,国内消防行业热像仪市场可达15亿元。
电力行业是当前国内民用红外热像仪应用最多行业。
热像仪在电力系统中重要检测目的是发电机组装置、输电线路接头、绝缘部件、变电所设备、各种开关、电路分派调度中心等。
图2是热像仪对输电系统监测温度分布图,观测到一种接头温度异常。
区别于单点测温办法,热像仪每幅图像包括几万到几十万个点温度信息,可用于全景测温。
作为最成熟、最有效电力在线检测手段,热像仪能初期发现隐患或迅速诊断出事地点,大大提高了供电设备运营可靠性,因而大大减少了经济损失。
据记录,国内电力行业热像仪总需求量约为15亿元。
此外,热像仪还可用于建筑,制造业,安防,医疗,边防,交通,环境监测,节能,警用等领域。
从长期来看,中华人民共和国热像仪市场潜在需求可达500亿元,年均增长率可达到20%。
近年来,国内热像仪市场需求迅速增长,良好发展前景吸引了许多资本进入该行业。
当前国内热像仪大某些公司研发实力弱,品牌影响力小,许多公司事实上是国外产品代理商或者是组装商。
这些公司都缺少热像仪核心技术:
用于热成像红外传感芯片。
由于美国对其她国家,涉及中华人民共和国,实行严格芯片和技术出口禁运,中华人民共和国热像仪公司只能从欧洲进口芯片。
进货渠道单一,价格昂贵。
四、合伙方式
老式热像仪从技术到市场都是非常专门领域,本项目革新技术使产品和市场开发完全不同于以往。
本项目核心芯片把红外信号转换为可见光信号,然后用可见光相机观测得到图像,籍此与成熟强大可见光相机工业相结合。
筹划与工业照相机和安全监控照相机厂商紧密合伙共同开发热像仪,结合其成熟技术和销售渠道,开发周期短,进入市场快,成本低。
筹划在开始销售,实现1000万元销售额。
实现赚钱。
达到3亿元销售额,涉及上述三种产品,约占全球民用热像仪市场百分之一,全国民用热像仪销售总额十分之一。
公司目的是在占据全球民用市场百分之四,约12亿元市场份额。
任何温度高于绝对零度物体,都会向外部空间以红外线方式辐射能量。
运用红外辐射实现有关物理量测量传感技术,即为红外传感技术。
红外传感器技术是近年来发展最快技术之一,红外传感器当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,起着不可代替重要作用。
红外线,实质上是一种电磁辐射波,其波长范畴大体在0.78m~1000m频谱范畴内,因其是位于可见光中红光以外光线,故而得名为红外线。
任何温度高于绝对零度物体,都会向外部空间以红外线方式辐射能量。
运用红外辐射实现有关物理量测量传感技术,即为红外传感技术。
光子式红外传感器是运用红外辐射光子效应而进行工作传感器。
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,红外辐射中光子流与半导体材料中电子互相作用,变化了电子能量状态,从而引起各种电学现象。
通过测量半导体材料中电子性质变化,就可以懂得相应红外辐射强弱。
光子探测器类型重要有内光电探测器、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。
光子探测器重要特点是敏捷度高、响应速度快,具备较高响应频率,但缺陷是探测波段较窄,普通工作于低温(为保持高敏捷度,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工作温度)。
基于红外光谱技术成分分析仪表,具备绿色、迅速、非破坏、在线等特点,是分析化学领域迅猛发展高新分析技术之一。
许多由非对称双原子和多原子所构成气体分子,在红外辐射波段均有相应吸取带,且因其被测对象所含分子不同,吸取带所在波长和吸取强弱也不相似。
依照各类气体分子吸取带分布状况及吸取强弱,可以辨认出被测对象中所含气体分子构成及含量。
红外气体分析仪即是采用红外光照射被测介质,并依照各类分子介质红外吸取特性,运用气体红外吸取光谱特性,通过对光谱分析而实现气体组分或浓度分析。
运用近红外光谱对羟基、水、碳酸盐以及Al-OH、Mg-OH和Fe-OH等分子键非常敏感特性,通过对目的对象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、组分和重要金属元素比值等,从而实现对固体等介质成分分析。
红外传感器技术是近年来发展最快技术之一,红外传感器当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,起着不可代替重要作用。
红外红,实质上是一种电磁辐射波,其波长范畴大体在0.78μm~1000μm频谱范畴内,因其是位于可见光中红光以外光线,故而得名为红外线。
任何温度高于绝对零度物体,都会向外部空间以红外线方式辐射能量。
运用红外辐射实现有关物理量测量传感技术,即为红外传感技术。
按检测机理不同,普通将红外传感器
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分为热式和光子式(也称量子式)两大类。
热式是运用红外辐射热效应,即当热式传感器敏感元件吸取所入射红外辐射后,其温度随之变化,进而使敏感元件有关物理参数发生相应变化,通过对这些物理参数及其变化测量就可拟定传感器所吸取红外辐射量。
热式传感器重要长处是:
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,使用简朴以便等。
但其局限性之处是响应时间相对较长(ms级),敏捷度较低,普通用于低频调制场合。
惯用热式红外传感器类型重要有热敏电阻/(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,热释电型敏感元件普通采用品有热释电效应晶体材料,具备检测效率最高,频率响应最宽,能探测辐射信号迅速变化等明显长处,故该类传感器发展较快,应用范畴也较广。
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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,红外辐射中光子流与半导体材料中电子互相作用,变化了电子能量状态,从而引起各种电学现象。
通过测量半导体材料中电子性质变化,就可以懂得相应红外辐射强弱。
光子探测器类型重要有内光电探测器、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。
光子探测器重要特点是敏捷度高、响应速度快,具备较高响应频率,但缺陷是探测波段较窄,普通工作于低温(为保持高敏捷度,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工作温度)。
按照红外传感器应用功能、场合不同,大体可将其应用提成如下几类:
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地面辐射强度计,可用于如全球变暖等气候变化观测;基于远红外辐射测量红外空间望远镜,可用于宇宙天体天文观测;配带红外光谱扫描辐射仪气象卫星,可实现对云层等气象观测分析。
在工矿公司中,应用较多是基于辐射量测量红外温度计和基于红外光谱测量红外分析仪。
按照斯蒂芬-玻尔兹曼定律,物体红外辐射强度与物体温度和辐射率有关。
依此制成红外温度计,属比较先进测温办法,具备诸多长处:
合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温度;因其测量不需要热平衡过程,故其响应速度快,普通在毫秒级,甚至微秒级;由于物体红外辐射强度与物体温度四次方成正比,因而物体温度微小变化,都会引起辐射能量成倍变化,因而其测温敏捷度高;由于测量非接触性,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温度,因而其测温范畴非常广泛。
基于红外光谱技术成分分析仪表,具备“绿色、迅速、非破坏、在线”等特点,是分析化学领域迅猛发展高新分析技术之一。
许多由非对称双原子和多原子所构成气体分子,在红外辐射波段均有相应吸取带,且因其被测对象所含分子不同,吸取带所在波长和吸取强弱也不相似。
依照各类气体分子吸取带分布状况及吸取强弱,可以辨认出被测对象中所含气体分子构成及含量。
红外气体分析仪即是采用红外光照射被测介质,并依照各类分子介质红外吸取特性,运用气体红外吸取光谱特性,通过对光谱分析而实现气体组分或浓度分析。
运用近红外光谱对羟基、水、碳酸盐以及Al-OH、Mg-OH和Fe-OH等分子键非常敏感特性,通过对目的对象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、组分和重要金属元素比值等,从而实现对固体等介质成分分析。
搜索和跟踪系统:
是基于目的所发出处在红外光谱范畴内电磁辐射波,来搜索和跟踪红外目的,拟定其空间位置,并对其运动轨迹进行跟踪系统。
红外搜索跟踪器图像品质取决于与像素大小和像素数量有关空间辨别率。
也就是说,若仪器像素数越高,像素尺寸越小,则其显示图像越清晰,可搜索距离则越远。
热成像系统:
通过热成像仪以非接触方式探测被测目的所释放红外辐射能量,能形成整个目的红外辐射分布(即温度分布)图像,以便分析、研究目的物体构造,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技术,由其构成热成像仪图像辨别率超过10000像素。
红外通信系统:
是采用调制后红外辐射光束传播编码后数据,再由硅光电二极管将收到红外辐射信号转换成电信号,实现近距离通信一种系统。
具备不干扰其他邻近设备正常工作,特别合用于人口高密度区域户内通信长处。
此外,该通信系统还具备低功耗、低成本、安全可靠特点。
其他,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、采暖通风等其他综合应用场合。
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