IR-detektor

ir-detektor
              IR-detektor

En IR-detektor är själva ”hjärtat” i termiska system. I de allra flesta infraröda kameror används en IR-detektor av typen ”Focal Plane array, eller s.k. FPA-detektor. En FPA-detektor är baserat på ett stort antal (tusentals) små värmesensorer anordnade i en matris i detektorns fokalplan. Varje sensor i detektor-matrisen reagerar på den infraröda strålningen och producerar en elektronisk signal. Varje sensor är alltså en temperaturmätpunkt.

Två olika typer

Det finns två huvudgrupper av termiska kameror, de med kyld- eller de med okyld IR-detektor. Som alltid så har respektive teknik sina för- och nackdelar. Men vi ska titta närmare på hur det fungerar och vilka egenskaper man behöver ta hänsyn till vid olika applikationer.

Kyld detektor

En modern kyld termisk kamera har en IR-detektor bestående av foton (ljuspartikel)-sensorer som är integrerad med en s.k. kryokylare. Dessa ytterst känsliga foton-sensorer omvandlar den inkommande infraröda strålningen till en detekterbar ström. Kylaren sänker sensortemperaturen till riktig låga temperaturer, s.k. kryogena temperaturer, vanligtvis ca -200 °C. Denna sänkning av temperaturen är nödvändig för att reducera termiskt inducerat brus i sensorerna. Utan kylning skulle dessa foton-sensorer bli “förblindade” eller mättade av sin egen strålning.

Termiska system med kyld detektor har hög känslighet och kan detektera små temperaturvariationer. De fungerar vanligtvis för våglängder mellan 3 – 5 μm. Men de kan utformas även för att fungera i det långvågiga infraröda bandet (LWIR).

Okyld detektor

En okyld IR-detektor kräver som namnet säger ingen kylare. Därför är en vanlig konstruktion av en okyld detektor baserad på en bolometer. En bolometer är ett litet motstånd på ett kiselement med stor ytarea, låg värmekapacitet och god termisk isolering. Bolometern absorberar inkommande strålning vilket resulterar i en temperaturhöjning som påverkar resistansen i sensorn. Resistansförändringen ger en elektrisk spänningssignal som efter att processorn gjort sitt jobb hamnar på skärmen som ett temperaturvärde.

Jämförelse mellan kylda- och okylda IR-detektor

Som med alla olika typer av konstruktioner så finns det för- och nackdelar när man jämför kylda – och okylda termiska kameror med varandra.

Kylda system

Fördelar

  • Mycket hög känslighet
  • Lämplig för spektral termografi (system där man kan välja våglängdsområde)
  • Mycket bra termisk upplösning; 10 mK möjlig.
  • Långtidsstabila
  • Mycket låg termisk tidskonstant i mikrosekunderområdet (mäter alltså snabbt), vilket möjliggör hög bildfrekvens.

Nackdelar

  • Högre kostnad, bland annat p.g.a. kryokylaren.
  • Begränsad livslängd för kryokylaren.

Okylda system

Fördelar

  • Lägre kostnad (p.g.a. enklare konstruktion)
  • Kräver mindre underhåll och service
  • Våglängdsoberoende känslighet

Nackdelar

  • Tidskonstant i millisekundområdet (alltså långsammare)
  • Temperaturupplösning ner mot 30 mK möjlig

Sammanfattning

Vill du få bästa möjliga bildkvalitet, hög bildfrekvens, hög upplösning eller vill visualisera termiska fenomen i en väldigt specifik del av det elektromagnetiska spektrumet? Då är du ute efter en kyld termisk kamera.

Men för alla andra applikationer är det därför en okyld värmekamera som är det naturliga valet främst p.g.a. lägre kostnad och mindre underhåll. En okyld bolometer är oftast designad för att mäta i det långvågiga infraröda området (LWIR) bandet (7-14 μm). Det gör den också lämplig för användning i till exempel sämre miljöförhållanden som damm, dimma eller rök. Men utvecklingen av bolometer baserade IR-detektorer går dock framåt och att vi kan förvänta oss ännu bättre prestanda framöver och att gapet till kylda system minskar.

Läs vidare

Teknikavsnitt:

  1. Hur fungerar en värmekamera
  2. IR-detektor (denna sida)
  3. Pixel och Pitch – detektorupplösning
  4. Termisk känslighet – (NETD)
  5. Field of view” – bildvinkel
  6. IR-Optik
  7. Bildhastighet (frame-rate)