專利名稱：一種被動式氣體成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于紅外熱成像技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于非制冷紅外焦平面技術(shù)的被動式氣體成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在電力行業(yè)、日化行業(yè)、石化行業(yè)中，都會使用到各種各樣的氣體，所以經(jīng)常需要測量氣體泄漏或者氣體濃度。對于有色有味的氣體，可以通過視覺或嗅覺來定性判斷泄漏的位置和嚴(yán)重程度，但對于無色無味的氣體，就必須使用儀器測量。在已知泄漏點的情況下，用相應(yīng)的氣體傳感器可以方便地測出氣體的濃度。但由于氣體本身是無色無味的，如果事先用戶并不清楚泄漏點在何處，則無法僅用氣體傳感器來確定泄漏位置?；诩t外焦平面技術(shù)的被動式氣體成像技術(shù)是一種間接測量氣體泄漏點的方法。一切物體都能向四周輻射電磁波，輻射的能量主要集中在中心波長附近，物體的溫度越高，中心波長越小，與物體的絕對溫度成反比。中心波長位于8-14 μ m范圍的輻射被稱為熱輻射。紅外熱像儀可以將吸收的紅外輻射轉(zhuǎn)化成熱，引起熱像儀中紅外焦平面陣列的像元升溫，然后再將溫升引起的電信號變化輸出到顯示設(shè)備中。如果將紅外熱像儀對著管道、設(shè)備等目標(biāo)，就可以在顯示屏上看出物體的溫度分布。由于是目標(biāo)物體自身發(fā)射紅外光線，不需要熱像儀主動提供光源，因此稱為被動式成像。每一種氣體都有其特征的紅外吸收波長，比如說六氟化硫(SF6)能強(qiáng)烈吸收 10. 56 μ m的輻射，而二氯化碳(CCl2)能強(qiáng)烈吸收11. 8 μ m的輻射。當(dāng)管道、設(shè)備等有氣體泄漏時，氣體在漏點附近的濃度會比較大，離漏點越遠(yuǎn)，則濃度越小。當(dāng)熱像儀的鏡頭剛好對著漏點附近的區(qū)域時，從目標(biāo)(管道、設(shè)備等)發(fā)出來的紅外線會穿過泄漏的氣體，因此會被部分吸收，到達(dá)紅外熱像儀焦平面陣列的熱輻射能量將比沒有氣體泄漏時要少，因此引起的像元溫升比沒有氣體泄漏時要低。氣體吸收的程度不一樣，像元溫升的變化也不一樣。因此可以通過溫度的分布判斷目標(biāo)(管道、設(shè)備等)何處有泄漏。美國發(fā)明專利7649174中公布了利用紅外熱像儀檢測電力設(shè)備中SF6氣體泄漏的方法，但是所用的設(shè)備是制冷型紅外焦平面陣列，需要專門的致冷設(shè)備和致冷劑，比如說杜瓦瓶和液氮，因此不便于長時間使用。比如說大型變電站，面積大，設(shè)備多，又要求對氣體泄漏進(jìn)行日常檢測，因此需要一種更方便的設(shè)備來滿足這方面的需求。中國實用新型專利200820167479. 8中公布了一種激光成像SF6氣體泄漏定位系統(tǒng)，將激光器與紅外熱像儀集成到一個系統(tǒng)里面，一定程度上減小了設(shè)備的體積，但仍然需要激光光源，并且使用了多個紅外鏡頭，成本并不低。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種便攜的被動式氣體紅外成像系統(tǒng)，不僅可以實現(xiàn)帶電非接觸、對氣體直觀成像，而且具有靈敏度高、體積小、性價比高的特點，能夠?qū)z測氣體進(jìn)行彩色醒目處理。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種被動式氣體成像系統(tǒng)，包括紅外成像單元，在所述紅外成像單元前端設(shè)有紅外光學(xué)鏡頭，所述紅外光窗上有紅外窄帶濾光片，紅外光窗和封裝管殼構(gòu)成一個封閉的殼體，非制冷式紅外焦平面陣列芯片置于該封閉殼體內(nèi)部，位于紅外光學(xué)鏡頭的焦平面上，紅外成像數(shù)字信號處理電路板置于封閉殼體外部，接收非制冷式紅外焦平面陣列芯片通過封裝管殼傳過來的信號，并將處理過后的信號輸出到中央處理單元；可見光成像單元，在其前端設(shè)有可見光光學(xué)鏡頭，通過可見光光學(xué)鏡頭接收可見光，并將處理過的信號輸出到中央處理單元；中央處理單元，對紅外成像單元和可見光成像單元輸出的信號進(jìn)行處理，并將處理好的紅外圖像和可見光圖像疊加；顯示器，連接中央處理單元的輸出端，顯示其輸出結(jié)果。根據(jù)本發(fā)明提供的被動式氣體成像系統(tǒng)，所述非致冷紅外焦平面陣列芯片在室溫下就可以正常工作，不需要使用外加設(shè)備將其冷卻到液氮溫度，所以被稱為非致冷型。本發(fā)明的特點有1、無需使用激光器，大大減小了設(shè)備的體積，真正實現(xiàn)了便攜。同時，也不存在因為激光強(qiáng)度過強(qiáng)而損害紅外成像芯片；2、紅外成像芯片使用的是非制冷式紅外焦平面陣列，無需專門配備制冷設(shè)備和液氮；3、窄帶濾波片在紅外光窗上實現(xiàn)，而不是在紅外鏡頭上實現(xiàn)。由于紅外光窗的表面積比起鏡頭來說小得多，鍍膜工藝也簡單得多，所以成本大大降低。


通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯圖1是基于非制冷紅外焦平面技術(shù)的被動式氣體成像技術(shù)原理框圖；圖2是紅外成像單元結(jié)構(gòu)簡圖。附圖中相同或相似的附圖標(biāo)記代表相同或相似的部件。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)描述。下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。下文的公開提供了許多不同的實施例或例子用來實現(xiàn)本發(fā)明的不同結(jié)構(gòu)。為了簡化本發(fā)明的公開，下文中對特定例子的部件和設(shè)置進(jìn)行描述。當(dāng)然，它們僅僅為示例，并且目的不在于限制本發(fā)明。此外，本發(fā)明可以在不同例子中重復(fù)參考數(shù)字和/或字母。這種重復(fù)是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實施例和/或設(shè)置之間的關(guān)系。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的結(jié)構(gòu)可以包括第一和第二特征形成為直接接觸的實施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之間的實施例，這樣第一和第二特征可能不是直接接觸。如圖1所示，為根據(jù)本發(fā)明的被動式氣體成像系統(tǒng)的實施例，包括紅外成像單元1、可見光成像單元2、中央處理單元3、顯示器4，其特征是，在所述紅外成像單元1的前端設(shè)有紅外光學(xué)鏡頭5，測試區(qū)域發(fā)射的紅外光通過所述紅外光學(xué)鏡頭5進(jìn)入紅外成像單元1 ；可見光成像單元2的前端設(shè)有可見光光學(xué)鏡頭6，外界的可見光通過所述可見光光學(xué)鏡頭6進(jìn)入可見光成像單元2 ；紅外成像單元1、可見光成像單元2的輸出信號與中央處理單元3相連，中央處理單元3對信號進(jìn)行處理，將處理好的紅外圖像和可見光圖像疊加，顯示器4與中央處理單元3的輸出相連，顯示其輸出結(jié)果。在本實施例中，所述紅外光學(xué)鏡頭5可以是遠(yuǎn)距離長焦鏡頭，由可透過但不限于8 14 μ m的紅外材料制成，可以是鍺(Ge)、硅(Si)、硫化鋅(SiS)或硒化鋅(ZnSe)。如圖2所示，為本實施例的紅外成像單元1結(jié)構(gòu)簡圖。所述紅外成像單元1包括紅外光窗11、管殼13、非制冷紅外焦平面陣列芯片14、紅外成像數(shù)字信號處理電路板15。紅外光經(jīng)過紅外光學(xué)鏡頭5聚焦后，通過紅外光窗11入射到非制冷紅外焦平面陣列芯片14之上。所述紅外光窗11上有紅外窄帶濾光片12，其透過波長等于所要探測氣體的吸收波長，紅外光窗11和封裝管殼13通過鍵合構(gòu)成一個封閉的殼體，內(nèi)部處于真空狀態(tài)，其內(nèi)部的壓強(qiáng)小于lOOOPa。非制冷式紅外焦平面陣列芯片14置于所述封閉殼體內(nèi)部，位于紅外光學(xué)鏡頭5的焦平面上，紅外成像數(shù)字信號處理電路板15置于封閉殼體外部，接收非制冷式紅外焦平面陣列芯片14通過封裝管殼傳過來的信號，并將處理過后的信號輸出到中央處理單兀3。所述紅外光窗11的材料為鍺(Ge)、硅(Si)、硫化鋅( 或硒化鋅(ZnSe)。所述窄帶濾光片12可以鍍在紅外光窗的一面，也可以鍍在其的兩面，或不鍍在紅外光窗11上，而是單獨一片。所述非制冷式紅外焦平面陣列芯片14所用的熱敏材料為氧化釩(VOx)或多晶硅(a-Si)，可以通過微電子機(jī)械(MEMQ等加工工藝制作。所述紅外成像數(shù)字信號處理電路板15可以是單層或多層電路板，也可以利用半導(dǎo)體加工技術(shù)，將非制冷式紅外焦平面陣列芯片14和紅外成像數(shù)字信號處理電路板15集成制作在同一個芯片上。雖然關(guān)于示例實施例及其優(yōu)點已經(jīng)詳細(xì)說明，應(yīng)當(dāng)理解在不脫離本發(fā)明的精神和所附權(quán)利要求限定的保護(hù)范圍的情況下，可以對這些實施例進(jìn)行各種變化、替換和修改。此外，本發(fā)明的應(yīng)用范圍不局限于說明書中描述的特定實施例的工藝、機(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法及步驟。從本發(fā)明的公開內(nèi)容，作為本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將容易地理解，對于目前已存在或者以后即將開發(fā)出的工藝、機(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法或步驟，其中它們執(zhí)行與本發(fā)明描述的對應(yīng)實施例大體相同的功能或者獲得大體相同的結(jié)果，依照本發(fā)明可以對它們進(jìn)行應(yīng)用。因此，本發(fā)明所附權(quán)利要求旨在將這些工藝、機(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法或步驟包含在其保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種被動式氣體成像系統(tǒng)，包括紅外成像單元，在所述紅外成像單元前端設(shè)有紅外光學(xué)鏡頭，所述紅外光窗上有紅外窄帶濾光片，紅外光窗和封裝管殼構(gòu)成一個封閉的殼體，非制冷式紅外焦平面陣列芯片置于該封閉殼體內(nèi)部，位于紅外光學(xué)鏡頭的焦平面上，紅外成像數(shù)字信號處理電路板置于封閉殼體外部，接收非制冷式紅外焦平面陣列芯片通過封裝管殼傳過來的信號，并將處理過后的信號輸出到中央處理單元；可見光成像單元，在其前端設(shè)有可見光光學(xué)鏡頭，通過可見光光學(xué)鏡頭接收可見光，并將處理過的信號輸出到中央處理單元；中央處理單元，對紅外成像單元和可見光成像單元輸出的信號進(jìn)行處理，并將處理好的紅外圖像和可見光圖像疊加；顯示器，連接中央處理單元的輸出端，顯示其輸出結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述紅外光學(xué)鏡頭為遠(yuǎn)距離長焦鏡頭。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述紅外光學(xué)鏡頭的材料為鍺(Ge)、硅 (Si)、硫化鋅(ZnS)或硒化鋅(ZnSe)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述紅外光窗的材料為鍺(Ge)、硅(Si)、 硫化鋅( 或硒化鋅(ZnSe)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的紅外光窗，其窄帶濾波片可以鍍在紅外光窗的一面，也可以鍍在其的兩面，或不鍍在紅外光窗上，而是單獨一片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述封閉殼體內(nèi)部的壓強(qiáng)小于10001^。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述非制冷式紅外焦平面陣列所用的熱敏材料是氧化釩(VOx)或多晶硅(a-Si)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述紅外成像單元包括紅外光窗、管殼、 非制冷紅外焦平面陣列芯片、紅外成像數(shù)字信號處理電路板。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述紅外窄帶濾光片透過波長等于所要探測氣體的吸收波長。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述封閉的殼體內(nèi)部處于真空狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種被動式氣體成像系統(tǒng)，包括紅外成像單元、可見光成像單元、中央處理單元、顯示器，其特征是在紅外成像單元前端設(shè)有紅外光學(xué)鏡頭；在可見光成像單元前端設(shè)有可見光光學(xué)鏡頭；紅外成像單元、可見光成像單元的輸出信號與中央處理單元相連，中央處理單元對信號進(jìn)行處理，將處理好的紅外圖像和可見光圖像疊加，顯示器與中央處理單元的輸出相連，顯示其輸出結(jié)果；所述紅外成像單元包括紅外光窗、管殼、非制冷紅外焦平面陣列芯片、紅外成像數(shù)字信號處理電路板，所述紅外光窗上有紅外窄帶濾光片，其透過波長等于所要探測氣體的吸收波長。利于便攜，無需使用激光器，減小設(shè)備體積，降低成本。
文檔編號G01N21/35GK102393375SQ201110247808
公開日2012年3月28日 申請日期2011年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月24日
發(fā)明者方輝, 雷述宇 申請人:北京廣微積電科技有限公司