La diferencia entre detectores térmicos infrarrojos, óxido de vanadio (VOX) y polisilicio

La cámara termográfica infrarroja se compone principalmente de tres partes: el detector, el procesador de señales y el sistema óptico. El componente principal de este último es el detector infrarrojo.

Detectores infrarrojos

Las principales tecnologías de los detectores infrarrojos son el óxido de vanadio americano (VOX) y el polisilicio francés. De la imagen de los dos, el VOX es mejor que el polisilicio, la imagen es delicada y en capas. Habrá ligeras rayas verticales en la pantalla de polisilicio. En cuanto al efecto de uso, se puede utilizar el mismo nivel de polisilicio que se espera que vea el óxido de vanadio. Sin embargo, en términos de precio, generalmente es posible obtener el rendimiento 90% del polisilicio con un movimiento de óxido de vanadio al precio 60%. Esta es la ventaja del polisilicio.

El detector que utiliza FLIR es un detector infrarrojo de óxido de vanadio de desarrollo propio. En China, debido a la restricción de la introducción de tecnología, el coste de los detectores de óxido de vanadio es relativamente alto y la apertura de la tecnología es baja. Las empresas nacionales han desarrollado detectores de forma independiente, pero no son tan buenos como los equipos importados en términos de efecto y calidad. El coste del detector determina el desarrollo de la industria de la termografía infrarroja.

La lente termográfica infrarroja

La lente de la cámara infrarroja generalmente está hecha de vidrio de germanio. El índice de refracción de este vidrio es muy alto. Solo es transparente a la luz infrarroja, pero opaco a la luz visible y la luz ultravioleta, por lo que puede separar plantas y animales en un entorno muy oscuro. La lente de una cámara ordinaria está hecha de vidrio óptico y su función principal es refractar la luz, que también se puede decir que magnifica los objetos. El vidrio óptico general se sintetiza artificialmente. Las lentes de las cámaras termográficas infrarrojas se comparan con los elementos metálicos dispersos de germanio comunes que se utilizan en las lentes de las cámaras ordinarias. Aunque las reservas en la naturaleza no son bajas, la extracción de germanio en alta concentración es muy difícil. Por lo tanto, el costo de producción de las lentes de germanio es más alto y se venden en el mercado. El precio suele ser más alto que el de las lentes de cámara ordinarias.

Parámetros importantes de la termografía infrarroja

Como equipo de aplicación típico de alta gama, con la mejora continua del proceso de fabricación, el rendimiento de todos los aspectos de la cámara infrarroja ha mejorado significativamente en la actualidad. A continuación, se presenta una introducción sistemática a los principales parámetros de la cámara infrarroja.

Tipo de detector: La tecnología principal del movimiento es el óxido de vanadio americano (VOX) y el polisilicio francés. De la imagen de los dos, VOX es definitivamente mejor que el polisilicio, la imagen es delicada y en capas. Habrá ligeras rayas verticales en la pantalla de polisilicio. En cuanto al efecto de uso, se puede utilizar el mismo nivel de polisilicio que se espera ver con el óxido de vanadio. Sin embargo, en términos de precio, generalmente es posible obtener el rendimiento 90% del polisilicio con un movimiento de óxido de vanadio al precio de 60%. Ésta es la ventaja del polisilicio. Paso de píxel: Cuanto menor sea el paso de píxel, más píxeles habrá y mayor será el campo de visión cuando se utilice la lente con la misma distancia focal. En general, 17UM es el más pequeño, el efecto es el mejor, seguido de 25UM y 35UM. Generalmente, 25UM es suficiente. Cuanto menor sea el paso de píxel, mayor será la sensibilidad térmica.

Sensibilidad térmica

Se puede definir simplemente como la temperatura mínima a la que el instrumento o el observador pueden distinguir con precisión la radiación del objetivo del fondo. Cuanto menor sea el valor de sensibilidad térmica, mayor será la sensibilidad térmica. Además, cuanto mayor sea la sensibilidad térmica, más brillante será la imagen.

Campo de visión

Es la abreviatura del campo de visión del sistema óptico, que representa el rango espacial que se puede imaginar en el diafragma de campo del plano de imagen del sistema óptico. Cuando el objeto se encuentra en cualquier punto (dentro de una cierta distancia) en el cono con el eje óptico como eje y el ángulo del vértice como campo de visión, puede ser encontrado por el sistema óptico, es decir, la imagen se imagina en el diafragma de campo del plano de imagen del sistema óptico. El ángulo de apertura máxima del espacio del objeto que el cuerpo puede imaginar en la cámara termográfica se denomina campo de visión, que generalmente es el campo de visión de la matriz ao×βo. Similar al concepto de píxeles efectivos de una cámara CCD. Cuanto mayor sea el campo de visión, mayor será la claridad de la imagen.

Respuesta espectral

Esto se refiere al rango de respuesta de la cámara termográfica al espectro infrarrojo. Normalmente hay dos rangos de respuesta, el espectro infrarrojo medio y el espectro infrarrojo lejano. El espectro infrarrojo lejano (8,0-14,0 μm) es mejor, porque la longitud de onda del espectro infrarrojo medio (3,0-8,0 μm) es relativamente corta y no es fácil penetrar algunos materiales, lo que hace imposible obtener imágenes con normalidad al final.

Rango de temperatura de campo

El rango de temperatura de campo se refiere a la temperatura más alta que la cámara termográfica puede captar al tomar imágenes. Una vez que el objeto supera esta temperatura, la cámara no podrá generar imágenes de los bordes. Esto es similar al fenómeno de sobresaturación de luz de las cámaras CCD comunes. Cuanto mayor sea el rango de temperatura, más amplio será el rango dinámico de la imagen de la cámara termográfica.

Para facilitar a los lectores la identificación de los parámetros anteriores, tomemos como ejemplo los parámetros de una determinada serie de cámaras termográficas FLIR:

Tipo de detector: óxido de vanadio sin enfriar; paso de píxeles: 17 o 25 μm; sensibilidad térmica: <50 mk;

Campo de visión (formato de matriz): 320×240;

Respuesta espectral (respuesta espectral): 7,5-13,5 μm, inducción de infrarrojo lejano (LWIR); rango de temperatura de la escena: hasta 150 °C, hasta 560 °C (opcional);

Otros parámetros importantes

1. Velocidad de cuadros La velocidad de cuadros se refiere a la cantidad de imágenes que la cámara termográfica puede capturar, procesar y mostrar en un segundo. Cuanto más rápida sea la respuesta del sensor y mayor la velocidad de procesamiento del circuito interno, mayor será la velocidad de cuadros que se puede lograr. La cámara termográfica con alta velocidad de cuadros es adecuada para capturar la distribución del campo de temperatura de objetos de alta velocidad. Es más adecuada para la investigación científica y la investigación militar.
2. Matriz de píxeles y paso de píxeles Los detectores de imágenes térmicas infrarrojas actuales son detectores de plano focal no refrigerados. Durante el proceso de producción, se procesa una matriz de unidades de sensores en materiales de óxido de vanadio o polisilicio. Hay una matriz de unidades de sensores entre cada unidad. Un cierto espaciado.
3. Precisión de la medición de temperatura La precisión se refiere al porcentaje de la relación entre el error máximo de la medición de temperatura de la cámara termográfica infrarroja y el rango del instrumento cuando la cámara termográfica se corrige según el entorno, la temperatura, la humedad, la distancia y la emisividad.
4. Modo de visualización Este punto, según los profesionales, suele hacer referencia a si la visualización en la pantalla de la cámara termográfica es en blanco y negro o en pseudocolor.
5. Rango de medición de temperatura Para las cámaras termográficas, durante el funcionamiento normal, siempre habrá un cierto rango de medición de temperatura, que se refiere al rango de los valores de temperatura mínimos y máximos para la temperatura de medición. 6. Resolución de temperatura La resolución de temperatura se refiere específicamente al índice de parámetros importantes de la cámara termográfica infrarroja. La resolución de temperatura se refiere a la sensibilidad del detector al cambio de temperatura del objeto medido. Cuanto menor sea la resolución de temperatura, mejor. La medición y la medición de la resolución de temperatura se realizan en condiciones específicas.

Hoy os voy a explicar principalmente la tecnología principal del movimiento es la diferencia entre el óxido de vanadio americano (VOX) y el polisilicio francés.

La cámara termográfica sin refrigeración que utiliza el detector de plano focal de óxido de vanadio es un tipo relativamente nuevo de cámara termográfica en China. En comparación con el polisilicio, el detector de plano focal de óxido de vanadio tiene una mejor calidad de imagen y sensibilidad, y puede satisfacer mejor diferentes requisitos. En el pasado, las cámaras termográficas de producción nacional utilizaban principalmente bolómetros de polisilicio.

Características del detector infrarrojo de polisilicio
El polisilicio es una forma de silicio elemental. Cuando el silicio elemental fundido se solidifica en condiciones de sobreenfriamiento, los átomos de silicio se organizan en muchos núcleos cristalinos en forma de red de diamante. Si estos núcleos cristalinos crecen hasta convertirse en granos cristalinos con diferentes orientaciones del plano cristalino, estos granos cristalinos se combinan para cristalizar en polisilicio. El polisilicio es conocido como la "piedra angular" de la industria de la microelectrónica y la industria fotovoltaica. Es un producto de alta tecnología que abarca múltiples disciplinas y campos como la industria química, la metalurgia, la maquinaria, la electrónica, etc. Es una base importante para la industria de semiconductores, circuitos integrados a gran escala y células solares. Las materias primas son productos intermedios extremadamente importantes en la cadena industrial de productos de silicio. Su nivel de desarrollo y aplicación se ha convertido en un indicador importante de la fortaleza nacional integral de un país, la fortaleza de la defensa nacional y el nivel de modernización. Se entiende que actualmente hay muy pocos fabricantes nacionales de productos de polisilicio, que están lejos de poder satisfacer el rápido desarrollo de la industria microelectrónica nacional y la industria de células solares. Con el desarrollo de las industrias de circuitos integrados, producción de obleas de silicio y células solares de mi país, el polisilicio tiene una enorme demanda en los mercados nacionales e internacionales, y su precio sigue aumentando.

Características del detector infrarrojo de óxido de vanadio

(1) Adopte un detector de plano focal fijo de bolómetro no refrigerado avanzado (óxido de vanadio);

(2) El tamaño del detector es 324×256, lo que puede satisfacer mejor los requisitos del sistema de TV PAL;

(3) El área de un solo elemento fotosensible del detector es pequeña (paso de 38 μm), lo que puede reducir el volumen y el peso del sistema de imágenes térmicas;

(4) La sensibilidad del detector es mayor. En f/1.6, la NETD puede alcanzar 85 mK. En f/1.0, su NETD es equivalente a 35 mK, que está cerca de un detector refrigerado general. Por lo tanto, la cámara termográfica tiene una distancia de detección y reconocimiento mayor;

(5) Se utiliza un buen circuito de compensación de no uniformidad en el interior, por lo que no es necesario utilizar un enfriador termoeléctrico (TEC) para estabilizar la temperatura de trabajo del plano focal. En el rango de temperatura de trabajo de (-40 ~ +75 ℃), el instrumento de imagen térmica tiene una buena uniformidad de imagen y un rango dinámico;

(6) Debido a que no se utiliza el TEC, la cámara termográfica tiene las dos características principales de inicio rápido y bajo consumo de energía. Con un tiempo de conducción de 2 s, la cámara termográfica se puede encender y usar en cualquier momento sin esperar. El consumo de energía del núcleo de la cámara termográfica se puede reducir a 1,5 W, lo que extiende el tiempo de funcionamiento de la batería; (7) Con función de zoom digital 2x;

(8) La nueva capacidad de procesamiento de imágenes mejora la claridad de la imagen y puede generar imágenes en pseudocolor.

En resumen, la principal ventaja de los detectores de óxido de vanadio es que tienen una mayor eficiencia de conversión fotoeléctrica para la luz infrarroja. En comparación con los detectores de polisilicio, tienen una mayor relación señal-ruido y una fuerte protección contra la luz. El detector de óxido de vanadio tiene una buena estabilidad de temperatura, una larga vida útil y una pequeña desviación de temperatura.

El movimiento de óxido de vanadio tiene una mejor calidad de imagen y sensibilidad que el movimiento de polisilicio, por lo que la cámara termográfica tiene una mayor distancia de detección y reconocimiento. Bajo consumo de energía, inicio rápido y listo para usar después del arranque. La definición de la imagen es 3 veces mayor que la de un movimiento de polisilicio. La sensibilidad de detección de temperatura del óxido de vanadio puede alcanzar los 0,03 ℃, mientras que el movimiento de polisilicio solo puede alcanzar los 0,1 ℃. Al mismo tiempo, el movimiento de óxido de vanadio es más largo y más duradero que el movimiento de polisilicio. La cámara termográfica sin refrigeración que utiliza el detector de plano focal de óxido de vanadio es un tipo relativamente nuevo de cámara termográfica en China. En comparación con el polisilicio, el material de óxido de vanadio tiene una mejor calidad de imagen y sensibilidad, y puede satisfacer mejor diferentes requisitos. En el pasado, las cámaras termográficas de producción nacional utilizaban principalmente polisilicio.

Sin embargo, muchos fabricantes utilizan indicadores para engañar a los consumidores. Debido a que los detectores de óxido de vanadio suelen tener una resolución de 336 x 256 píxeles, mientras que los de polisilicio suelen tener una resolución nominal de 384 x 288 píxeles, en términos de indicadores de producto, los de polisilicio tienen mejores indicadores que los de óxido de vanadio. Pero, de hecho, a juzgar por el efecto de comparación anterior, el detector de óxido de vanadio con la misma lente es mucho mejor que el de polisilicio.
　　

Por ejemplo, la termografía de doble banda dedicada a la medición de temperatura y la advertencia para la protección contra incendios forestales generalmente se coloca en el bosque y otros entornos de campo, por lo que tiene mayores requisitos en cuanto a la calidad y el efecto del movimiento. Si se utiliza un movimiento de polisilicio de bajo costo, es posible que no sea adecuado para la naturaleza. El entorno severo cambiará y la fuente del incendio no se puede encontrar a tiempo cuando la diferencia de temperatura no es grande, lo que provocará grandes pérdidas en el área forestal. Por lo tanto, el movimiento de óxido de vanadio se utiliza finalmente para resolver estos problemas.
　

Además de estas ventajas en comparación con el polisilicio, el movimiento de óxido de vanadio también tiene algunas ventajas únicas: se utiliza un buen circuito de compensación de no uniformidad en el interior, por lo que no es necesario utilizar un enfriador termoeléctrico (TEC) para estabilizar la temperatura de trabajo del plano focal. En el rango de temperatura de trabajo de (-40 ~ + 75 ℃), la cámara termográfica tiene una buena uniformidad de imagen y un rango dinámico; debido a que no se utiliza el TEC, la cámara termográfica tiene las dos características de inicio rápido y bajo consumo de energía. Con un tiempo de conducción de 2 s, la cámara termográfica se puede encender y usar en cualquier momento sin esperar. El consumo de energía del núcleo de la cámara termográfica se puede reducir a 1,5 W y tiene una función de zoom digital de 2x.

Con la madurez de la tecnología de imágenes térmicas, los requisitos de las personas son cada vez más altos y existen requisitos casi estrictos para la diferencia de temperatura, la durabilidad del movimiento y la claridad de la imagen. El movimiento de polisilicio tradicional se ha utilizado en equipos de seguridad. No es dominante, y el óxido de vanadio puede compensar las deficiencias del movimiento de polisilicio y tiene sus propias ventajas únicas. Ya ha ocupado una posición fundamental en el mercado de la seguridad.