A diferença entre detectores térmicos infravermelhos, óxido de vanádio (VOX) e polissilício

O termovisor infravermelho é composto principalmente de três partes, o detector, o processador de sinal e o sistema óptico. O componente principal disso é o detector infravermelho.

Detectores infravermelhos

As principais tecnologias de detectores infravermelhos são o óxido de vanádio americano (VOX) e o polissilício francês. Pela imagem dos dois, o VOX é melhor que o polissilício, a imagem é delicada e em camadas. Haverá leves listras verticais na tela de polissilício. Quanto ao efeito do uso, o mesmo nível de polissilício que se espera que o óxido de vanádio veja pode ser usado. No entanto, em termos de preço, geralmente é possível obter o desempenho 90% do polissilício com um movimento de óxido de vanádio a um preço de 60%. Esta é a vantagem do polissilício.

O detector usado pela FLIR é um detector infravermelho de óxido de vanádio autodesenvolvido. Na China, devido à restrição da introdução de tecnologia, o custo dos detectores de óxido de vanádio é relativamente alto e a abertura da tecnologia é baixa. Empresas nacionais desenvolveram detectores de forma independente, mas eles não são tão bons quanto os equipamentos importados em termos de efeito e qualidade. O custo do detector determina o desenvolvimento da indústria de imagens térmicas infravermelhas.

A lente de imagem térmica infravermelha

A lente da câmera infravermelha geralmente é feita de vidro de germânio. O índice de refração desse vidro é muito alto. Ele é transparente apenas à luz infravermelha, mas opaco à luz visível e à luz ultravioleta, de modo que pode separar plantas e animais em um ambiente muito escuro. A lente de uma câmera comum é feita de vidro óptico e sua principal função é refratar a luz, que também pode ser considerada uma ampliação de objetos. O vidro óptico geral é sintetizado artificialmente. As lentes de câmera de imagem térmica infravermelha são comparadas com elementos metálicos dispersos de germânio comuns usados em lentes de câmera comuns. Embora as reservas na natureza não sejam baixas, a extração de germânio de alta concentração é muito difícil. Portanto, o custo de produção das lentes de germânio é maior e elas são vendidas no mercado. O preço geralmente é mais alto do que o das lentes de câmera comuns.

Parâmetros importantes da imagem térmica infravermelha

Como equipamento de aplicação de ponta típico, com a melhoria contínua do processo de fabricação, o desempenho de todos os aspectos da câmera infravermelha foi significativamente melhorado hoje. Aqui está uma introdução sistemática aos principais parâmetros da câmera infravermelha.

Tipo de detector: A principal tecnologia do movimento é o óxido de vanádio americano (VOX) e o polissilício francês. Pela imagem dos dois, o VOX é definitivamente melhor que o polissilício, a imagem é delicada e em camadas. Haverá leves listras verticais na tela de polissilício. Quanto ao efeito do uso, o mesmo nível de polissilício que o óxido de vanádio deve ver pode ser usado. No entanto, em termos de preço, geralmente é possível obter o desempenho 90% do polissilício com um movimento de óxido de vanádio a um preço de 60%. Esta é a vantagem do polissilício. Distância entre pixels: Quanto menor a distância entre pixels, mais pixels haverá e maior será o campo de visão quando a lente com a mesma distância focal for usada. No geral, 17UM é o menor, o efeito é o melhor, seguido por 25UM e 35UM. Geralmente, 25UM é suficiente. Quanto menor a distância entre pixels, maior a sensibilidade térmica.

Sensibilidade térmica

Pode ser simplesmente definida como a temperatura mínima na qual o instrumento ou o observador pode distinguir com precisão a radiação alvo do fundo. Quanto menor o valor da sensibilidade térmica, maior a sensibilidade térmica. Além disso, quanto maior a sensibilidade térmica, mais brilhante a imagem.

Campo de visão

É a abreviação do campo de visão do sistema óptico, que representa o alcance espacial que pode ser imageado no diafragma de campo do plano de imagem do sistema óptico. Quando o objeto está localizado em qualquer ponto (dentro de uma certa distância) no cone com o eixo óptico como eixo e o ângulo do ápice como campo de visão, ele pode ser encontrado pelo sistema óptico, ou seja, a imagem é imageada no diafragma de campo do plano de imagem do sistema óptico. O ângulo máximo de abertura do espaço do objeto que o corpo pode imagear na câmera de imagem térmica é chamado de campo de visão, que geralmente é o campo de visão da matriz ao×βo. Semelhante ao conceito de pixels efetivos de uma câmera CCD. Quanto maior o campo de visão, maior a clareza da imagem.

Resposta espectral

Isso se refere à faixa de resposta da câmera termográfica ao espectro infravermelho. Normalmente, há duas faixas de resposta do espectro infravermelho médio e do espectro infravermelho distante. O espectro infravermelho distante (8,0-14,0 μm) é melhor, porque o comprimento de onda do espectro infravermelho médio (3,0-8,0 μm) é relativamente curto e não é fácil penetrar em alguns materiais, tornando impossível obter imagens normalmente no final.

Faixa de temperatura de campo

A faixa de temperatura de campo se refere à temperatura mais alta que a câmera termográfica pode detectar na imagem. Uma vez que o objeto excede essa temperatura, a câmera não será capaz de fornecer imagens de borda. Isso é semelhante ao fenômeno de supersaturação de luz de câmeras CCD comuns. Quanto maior a faixa de temperatura, mais ampla a faixa dinâmica da imagem da câmera termográfica.

Para facilitar a identificação dos parâmetros acima pelos leitores, vamos tomar como exemplo os parâmetros de uma determinada série de câmeras termográficas FLIR:

Tipo de detector: óxido de vanádio não resfriado; passo de pixel: 17 ou 25 μm; sensibilidade térmica: <50 mk;

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

Resposta do espectro (resposta do espectro): 7,5-13,5 μm, indução no infravermelho distante (LWIR); faixa de temperatura da cena: até 150 °C, até 560 °C (opcional);

Outros parâmetros importantes

1. Taxa de quadros A taxa de quadros se refere ao número de imagens que podem ser capturadas, processadas e exibidas pelo termovisor em 1 segundo. Quanto mais rápida a resposta do sensor e maior a velocidade de processamento do circuito interno, maior a taxa de quadros que pode ser alcançada. O termovisor com alta taxa de quadros é adequado para capturar a distribuição do campo de temperatura de objetos de alta velocidade. É mais adequado para pesquisa científica e pesquisa militar.
2. Matriz de pixels e pitch de pixels Os detectores de imagens térmicas infravermelhas atuais são detectores de plano focal não resfriados. Durante o processo de produção, uma matriz de unidades de sensores é processada em materiais de óxido de vanádio ou polissilício. Há uma matriz de unidades de sensores entre cada unidade. Um certo espaçamento.
3. Precisão da medição de temperatura A precisão se refere à porcentagem da razão entre o erro máximo da medição de temperatura do termovisor infravermelho e o alcance do instrumento quando o termovisor é corrigido para ambiente, temperatura, umidade, distância e emissividade.
4. Modo de exibição Este ponto, de acordo com os profissionais, geralmente se refere a se a exibição na tela do termovisor é em preto e branco ou pseudocolorida.
5. Faixa de medição de temperatura Para câmeras termográficas, durante a operação normal, sempre haverá uma certa faixa de medição de temperatura, que se refere à faixa dos valores mínimo e máximo de temperatura para a temperatura de medição. 6. Resolução de temperatura A resolução de temperatura se refere especificamente ao índice de parâmetro importante do termovisor infravermelho. A resolução de temperatura se refere à sensibilidade do detector à mudança de temperatura do objeto medido. Quanto menor a resolução de temperatura, melhor. A medição e a medição da resolução de temperatura são feitas sob condições específicas.

Hoje vou explicar para vocês principalmente a principal tecnologia do movimento: a diferença entre o óxido de vanádio americano (VOX) e o polissilício francês.

O termovisor não resfriado usando o detector de plano focal de óxido de vanádio é um tipo relativamente novo de termovisor na China. Comparado com o polissilício, o detector de plano focal de óxido de vanádio tem melhor qualidade de imagem e sensibilidade, e pode atender melhor a diferentes requisitos. No passado, as câmeras de imagem térmica produzidas domesticamente usavam principalmente bolômetros de polissilício.

Características do detector infravermelho de polissilício
O polissilício é uma forma de silício elementar. Quando o silício elementar fundido se solidifica sob condições de super-resfriamento, os átomos de silício são organizados em muitos núcleos de cristal na forma de uma rede de diamante. Se esses núcleos de cristal crescem em grãos de cristal com diferentes orientações de plano de cristal, esses grãos de cristal se combinam para cristalizar em polissilício. O polissilício é conhecido como a "pedra angular" da indústria de microeletrônica e da indústria fotovoltaica. É um produto de alta tecnologia que abrange várias disciplinas e campos, como a indústria química, metalurgia, máquinas, eletrônica, etc. É uma base importante para a indústria de semicondutores, circuitos integrados em larga escala e células solares. As matérias-primas são produtos intermediários extremamente importantes na cadeia da indústria de produtos de silício. Seu nível de desenvolvimento e aplicação se tornou um indicador importante da força nacional abrangente de um país, força de defesa nacional e nível de modernização. Entende-se que atualmente há muito poucos fabricantes nacionais de produtos de polissilício, que estão longe de serem capazes de atender ao rápido desenvolvimento da indústria doméstica de microeletrônica e da indústria de células solares. Com o desenvolvimento do circuito integrado do meu país, produção de wafers de silício e indústrias de células solares, o polissilício está em grande demanda nos mercados doméstico e internacional, e o preço do polissilício continua a subir.

Características do detector infravermelho de óxido de vanádio

(1) Adotar detector de plano focal avançado de bolômetro não resfriado (óxido de vanádio);

(2) O tamanho do detector é 324×256, o que pode atender melhor aos requisitos do sistema de TV PAL;

(3) A área de um único elemento fotossensível do detector é pequena (passo de 38μm), o que pode reduzir o volume e o peso do sistema de imagem térmica;

(4) A sensibilidade do detector é maior. Em f/1.6, o NETD pode atingir 85 mK. Em f/1.0, seu NETD é equivalente a 35 mK, o que é próximo a um detector refrigerado geral. Portanto, o termovisor tem uma distância de detecção e reconhecimento maior;

(5) Um bom circuito de compensação de não uniformidade é usado internamente, portanto, não há necessidade de usar um resfriador termoelétrico (TEC) para estabilizar a temperatura de trabalho do plano focal. Na faixa de temperatura de trabalho de (-40~+75℃), a imagem térmica O instrumento tem boa uniformidade de imagem e faixa dinâmica;

(6) Como o TEC não é usado, o termovisor tem as duas principais características de inicialização rápida e baixo consumo de energia. Com um tempo de condução de 2s, o termovisor pode ser ligado e usado a qualquer momento sem esperar. O consumo de energia do núcleo da câmera de imagem térmica pode ser reduzido para 1,5 W, o que estende o tempo de trabalho da bateria; (7) Com função de zoom digital 2x;

(8) A nova capacidade de processamento de imagem melhora a clareza da imagem e pode gerar imagens pseudocoloridas

Em suma, a principal vantagem dos detectores de óxido de vanádio é que eles têm maior eficiência de conversão fotoelétrica para luz infravermelha. Comparados com detectores de polissilício, eles têm uma maior relação sinal-ruído e forte proteção contra luz. O detector de óxido de vanádio tem boa estabilidade de temperatura, longa vida útil e pequena variação de temperatura.

O movimento de óxido de vanádio tem melhor qualidade de imagem e sensibilidade do que o movimento de polissilício, de modo que o termovisor tem uma distância de detecção e reconhecimento maior. Baixo consumo de energia, inicialização rápida e pronto para uso após a inicialização. A definição da imagem é 3 vezes maior que a de um movimento de polissilício. A sensibilidade de detecção de temperatura do óxido de vanádio pode atingir 0,03℃, enquanto o movimento de polissilício pode atingir apenas 0,1℃. Ao mesmo tempo, o movimento de óxido de vanádio é mais longo e durável do que o movimento de polissilício. O termovisor não resfriado usando o detector de plano focal de óxido de vanádio é um tipo relativamente novo de termovisor na China. Comparado com o polissilício, o material de óxido de vanádio tem melhor qualidade de imagem e sensibilidade e pode atender melhor a diferentes requisitos. No passado, as câmeras de imagem térmica produzidas internamente usavam principalmente polissilício.

No entanto, muitos fabricantes usam indicadores para enganar os consumidores. Como os detectores de óxido de vanádio são geralmente 336X256 pixels, enquanto os detectores de polissilício são geralmente nominalmente 384X288 pixels, então, em termos de indicadores de produto, os detectores de polissilício têm indicadores mais altos do que os detectores de óxido de vanádio. Mas, na verdade, a julgar pelo efeito de comparação acima, o detector de óxido de vanádio com a mesma lente é muito melhor do que o detector de polissilício.
　　

Por exemplo, a imagem térmica de banda dupla dedicada à medição de temperatura e alerta para proteção contra incêndios florestais é geralmente colocada na floresta e em outros ambientes de campo, portanto, tem requisitos mais altos sobre a qualidade e o efeito do movimento. Se um movimento de polissilício de baixo custo for usado, ele pode não ser adequado para o selvagem. O ambiente severo mudará, e a fonte do incêndio não pode ser encontrada a tempo quando a diferença de temperatura não for grande, o que causará grandes perdas na área florestal. Portanto, o movimento de óxido de vanádio é finalmente usado para resolver esses problemas.
　

Além disso, em comparação com o polissilício, o movimento de óxido de vanádio em si também tem algumas vantagens exclusivas: um bom circuito de compensação de não uniformidade é usado internamente, portanto, não há necessidade de usar um resfriador termoelétrico (TEC) para estabilizar a temperatura de trabalho do plano focal. Na faixa de temperatura de trabalho de (-40 ~ + 75 ℃), o termovisor tem boa uniformidade de imagem e faixa dinâmica; como o TEC não é usado, o termovisor tem as duas características de inicialização rápida e baixo consumo de energia. Com um tempo de condução de 2s, o termovisor pode ser ligado e usado a qualquer momento sem esperar. O consumo de energia do núcleo da câmera de imagem térmica pode ser reduzido para 1,5 W e tem uma função de zoom digital de 2x.

Com a maturidade da tecnologia de imagem térmica, as exigências das pessoas estão ficando cada vez maiores, e há exigências quase rigorosas para a diferença de temperatura, a durabilidade do movimento e a clareza da imagem. O movimento tradicional de polissilício tem sido usado em equipamentos de segurança. Ele não é dominante, e o óxido de vanádio pode compensar as deficiências do movimento de polissilício e tem suas próprias vantagens exclusivas. Ele já ocupou uma posição central no mercado de segurança.