Infrarotsensoren von Wärmebildkameras

Infrarot Sensoren funktionieren auf der Grundlage der thermischen Eigenschaften von Objekten. Jedes Objekt mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt (-273 °C) sendet Infrarotstrahlen aus, und je höher die Temperatur des Objekts, desto intensiver die Infrarotstrahlung. Infrarotsensoren nutzen ihre eigene Empfindlichkeit gegenüber Infrarotstrahlung. Wenn sie von Objekten ausgestrahlte Infrarotstrahlen empfangen, unterliegen ihre internen empfindlichen Komponenten physikalischen Veränderungen und erzeugen so elektrische Signale. Diese physikalische Veränderung hängt eng mit der Intensität der Infrarotstrahlung zusammen. Durch Erkennen und Analysieren dieser elektrischen Signale kann die vom Objekt ausgestrahlte Infrarotintensität bestimmt und dann die Temperaturinformationen des Objekts erhalten werden.

Thermistor-Infrarotsensor: Thermistoren sind Widerstände, die extrem empfindlich auf Temperaturänderungen reagieren. Wenn ein Thermistor Infrarotstrahlung empfängt, steigt seine eigene Temperatur entsprechend an und der Widerstandswert des Thermistors ändert sich mit der Temperaturänderung erheblich. Mithilfe dieser Eigenschaft kann die Intensität der empfangenen Infrarotstrahlung durch Messen der Änderung des Widerstandswerts genau bestimmt werden. In einigen frühen Wärmebildgeräten wurden nämlich häufig Thermistor-Infrarotsensoren verwendet. Sie haben eine relativ einfache Struktur und sind kostengünstig, aber ihre Empfindlichkeit und Reaktionsgeschwindigkeit sind begrenzt.

Thermosäulen-Infrarotsensor: Eine Thermosäule besteht aus mehreren in Reihe geschalteten Thermoelementen. Wenn Infrarotstrahlung auf die Thermosäule trifft, entsteht an beiden Enden der Thermosäule ein Temperaturunterschied. Gemäß dem Seebeck-Effekt erzeugt dieser Temperaturunterschied ein thermoelektrisches Potenzial. Thermosäulen-Infrarotsensoren bestimmen die Intensität der Infrarotstrahlung durch Messen der Größe des thermoelektrischen Potenzials. Sie bieten die Vorteile einer schnellen Reaktionsgeschwindigkeit und guten Stabilität. In einigen Anwendungsszenarien der Wärmebildgebung, die eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit erfordern, wie z. B. bei der industriellen Schnellerkennung und Flammenüberwachung, spielen Thermosäulen-Infrarotsensoren eine wichtige Rolle.

Mikrometer-Infrarotsensor: Der Mikrobolometer ist derzeit die am häufigsten verwendete infrarotempfindliche Komponente. Er nutzt hauptsächlich die Eigenschaft, dass sich die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitermaterialien mit der Temperatur ändert. Wenn der Mikrobolometer Infrarotstrahlung empfängt, steigt seine Temperatur und die elektrische Leitfähigkeit des Halbleitermaterials ändert sich, was zu einer Änderung des Widerstandswerts führt. Durch Erkennen der Änderung des Widerstandswerts kann die Intensität der Infrarotstrahlung berechnet werden. Der Mikrobolometer hat die Vorteile einer hohen Empfindlichkeit und hohen Auflösung und erkennt die subtilen Änderungen der Infrarotstrahlung genau, sodass Wärmebildkameras klare und genaue Wärmebilder erzeugen können. Er wird häufig in der Sicherheitsüberwachung, der medizinischen Diagnose, in der Wissenschaft und in anderen Bereichen eingesetzt.

Hohe Empfindlichkeit: Moderne Infrarotsensoren, insbesondere Mikrobolometer-Infrarotsensoren, verfügen über eine extrem hohe Empfindlichkeit und können extrem schwache Infrarotstrahlung erkennen. Dadurch können Wärmebildkameras winzige Temperaturunterschiede auf der Oberfläche von Objekten erkennen. Selbst Objekte mit einem Temperaturunterschied von nur wenigen Zehntel Grad können den Unterschied in der Temperaturverteilung im Wärmebild deutlich darstellen, was eine präzise Temperaturerkennung und -analyse stark unterstützt.

Schnelle Reaktion: Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie wurde die Reaktionsgeschwindigkeit von Infrarotsensoren deutlich verbessert. Sowohl Opil- als auch Mikrobolometer-Infrarotsensoren können in extrem kurzer Zeit auf Änderungen der Infrarotstrahlung reagieren und schnell elektrische Signale erzeugen, was vielen Echtzeitanwendungen mit Anforderungen gerecht wird, wie z. B. Wärmebild-Hindernisvermeidungssystemen beim autonomen Fahren und der Temperaturüberwachung von beweglichen Objekten.

Gute Stabilität: Nach langfristiger Forschung und Entwicklung wurde die Stabilität von Infrarot deutlich verbessert. Unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen, wie z. B. großen Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen, können Infrarotsensoren weiterhin stabil arbeiten, ihre Leistung konstant halten und sicherstellen, dass Wärmebildkameras genaue und zuverlässige Wärmebilder ausgeben und so einen stabilen Überwachungsschutz für die industrielle Produktion, die Sicherheitsüberwachung und andere Bereiche bieten.

Höhere Empfindlichkeit: Um der steigenden Nachfrage nach hochpräziser Wärmebildgebung gerecht zu werden, werden zukünftige Infrarotsensoren eine höhere Auflösung und Empfindlichkeit aufweisen. Durch kontinuierliche Optimierung des Strukturdesigns und des Herstellungsprozesses, Reduzierung der Pixelgröße und Erhöhung der Anzahl der Pixel pro Flächeneinheit kann die Auflösung von Wärmebildbildern verbessert werden. Gleichzeitig werden neue empfindliche Materialien und Technologien entwickelt, um die Reaktionsfähigkeit des Sensors auf Infrarotstrahlung weiter zu verbessern, die Empfindlichkeit zu erhöhen und es Wärmebildkameras zu ermöglichen, mehr Temperaturänderungen und Objektdetails zu erfassen.

Miniaturisierung und Integration: Mit der rasanten Entwicklung des Internets der Dinge, tragbarer Geräte und anderer Bereiche sind höhere Anforderungen an die Miniaturisierung und Integration von Wärmebildgeräten gestellt worden. Infrarotsensoren werden sich weiter in Richtung Miniaturisierung und geringes Gewicht entwickeln, um sich besser in kleine Geräte integrieren zu können. Durch den Einsatz moderner Halbleiterfertigungstechnologie werden Infrarotsensoren mit Signalverarbeitungsschaltungen, Bildverarbeitungschips und anderen Komponenten auf einem einzigen Chip integriert, wodurch ein Grad der Systemintegration erreicht wird, das Volumen und die Kosten der Geräte reduziert und der Anwendungsbereich der Wärmebildtechnologie erweitert wird.

Intelligenz: Die Entwicklung der künstlichen Intelligenz bietet Möglichkeiten für die Intelligenz von Infrarotsensoren. Zukünftige Infrarotsensoren werden über intelligente Analyse- und Verarbeitungsfunktionen verfügen und in der Lage sein, verschiedene Objekte automatisch zu identifizieren und zu klassifizieren sowie Vorgänge wie Temperaturanomalienerkennung und Zielverfolgung nach vordefinierten Regeln und Algorithmen durchzuführen. Durch die Kombination von Algorithmen der künstlichen Intelligenz mit Infrarotsensoren können Wärmebildkameras nicht nur Wärmebilder erfassen, sondern auch die Informationen in den Bildern gründlich analysieren und verstehen und den Benutzern eine wertvollere Entscheidungsgrundlage bieten.