小菲課堂｜精準(zhǔn)測(cè)溫高速運(yùn)轉(zhuǎn)的事物，你應(yīng)該怎樣選擇熱像儀？
相信很多菲粉們都知道，使用熱電偶或點(diǎn)溫儀測(cè)得的熱量并不能完全反映設(shè)備的熱屬性。傳統(tǒng)的測(cè)量方法無法提供能全面描繪高速熱應(yīng)用的分辨率與速度。但是，紅外熱像儀能捕獲數(shù)千個(gè)高速熱測(cè)量值，精確顯示熱源與擴(kuò)散趨勢(shì)。選擇合適的紅外熱像儀，您可以搜集到可靠的測(cè)量值、生成具有說服力的報(bào)告，為研究工作提供可靠的數(shù)據(jù)。
01
紅外熱像儀的類型
目前，紅外熱像儀大體可分為兩類：一類是高性能制冷型光子計(jì)數(shù)紅外熱像儀，另一類是經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的非制冷型微測(cè)熱輻射計(jì)紅外熱像儀。
現(xiàn)今市面上的大多數(shù)制冷型熱像儀采用銻化銦(InSb)探測(cè)器。制冷型紅外熱像儀通過對(duì)特定波段（通常為介于3-5μm的中波紅外波段）內(nèi)能量的光子計(jì)數(shù)進(jìn)行工作。光子撞擊像素，轉(zhuǎn)化成電子并儲(chǔ)存在積分電容器中。像素點(diǎn)以電子的方式，通過斷開或短路積分電容器來控制快門。根據(jù)不同的熱像儀型號(hào)，F(xiàn)LIR銻化銦熱像儀掃描-20至350?C物體的積分時(shí)間為6ms-50μs。這些極短的積分時(shí)間為定格畫面、精確測(cè)量每個(gè)快速變化的瞬間提供了可能性。
FLIR制冷型銻化銦熱像儀捕獲的“黃蜂”戰(zhàn)斗機(jī)的定格圖像
一個(gè)傳統(tǒng)熱電偶的熱圖像
與制冷型熱像儀相比，非制冷型熱像儀成本更低、質(zhì)量更輕、功耗更小。非制冷熱像儀像素點(diǎn)采用特定材料制成，其電阻可隨溫度的變化發(fā)生明顯變化。常見材料為：氧化釩或非晶硅。當(dāng)熱能聚焦于像素點(diǎn)時(shí)，像素點(diǎn)會(huì)隨之升溫或冷卻。因像素點(diǎn)的電阻隨著溫度的變化而變化，其大小可測(cè)量，能通過校準(zhǔn)操作映射回目標(biāo)溫度。由于像素點(diǎn)有限定質(zhì)量，因此它們有相應(yīng)的熱時(shí)間常數(shù)。現(xiàn)今基于微測(cè)輻射熱計(jì)熱像儀，其時(shí)間常數(shù)一般為8-12ms。但這并不意味著像素點(diǎn)能在8-12ms內(nèi)立即響應(yīng)，并提供精確結(jié)果！一般經(jīng)驗(yàn)是：處理躍階輸入信號(hào)的一階系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的所需的時(shí)間是時(shí)間常數(shù)的5倍。
02
時(shí)間常數(shù)和思維實(shí)驗(yàn)
為了探討微測(cè)輻射熱計(jì)探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間，我們來打一個(gè)有趣的比方，假想有兩桶水：一桶是裝滿已攪拌均勻的0℃冰水，另一桶是100?C快速沸騰的沸水。讓微測(cè)輻射熱計(jì)探測(cè)器先對(duì)準(zhǔn)冰水，然后瞬間切換到沸水(100?C的躍階輸入)，記錄這一過程的測(cè)溫結(jié)果。如果我們將10ms的熱時(shí)間常數(shù)轉(zhuǎn)換成一半時(shí)間以便于計(jì)算，我們得到的值大約為7ms。
從0°C過渡到100°C的系統(tǒng)響應(yīng)，tau=10ms，一半時(shí)間=7ms
我們來看微測(cè)輻射熱計(jì)探測(cè)器紅的報(bào)告結(jié)果，在7ms(即一個(gè)減半時(shí)間)時(shí)溫度為50?C，2個(gè)減半時(shí)間時(shí)溫度為75?C，3減個(gè)半時(shí)間時(shí)溫度為87.5?C等。如果我們嘗試以100幀/秒或在10ms時(shí)讀出溫度，結(jié)果會(huì)怎樣？熱像儀的讀數(shù)為63?C，產(chǎn)生了37?C的誤差。熱像儀會(huì)精確報(bào)告像素點(diǎn)的溫度，但是像素點(diǎn)尚未達(dá)到正檢測(cè)的場(chǎng)景的溫度。一般說來，如果將非制冷型微測(cè)熱輻射計(jì)的幀頻設(shè)置為30幀/秒以上時(shí)，結(jié)果毫無意義！
03
真實(shí)數(shù)據(jù)
案例一：
我們來討論一下打印過程，此過程需要將打印紙加熱至60?C。打印紙繞著顯影輥輸出的速率為127厘米/秒，且在橫向、縱向溫度必須均勻。
打印紙離開加熱輥的熱圖像
使用制冷型光子計(jì)數(shù)熱像儀與非制冷型微測(cè)熱輻射計(jì)熱像儀捕捉每邊的數(shù)據(jù)。
銻化銦探測(cè)器與非制冷型微測(cè)輻射熱計(jì)探測(cè)器在測(cè)量熱瞬時(shí)事件中的性能對(duì)比
上圖表明，兩類熱像儀所獲得的數(shù)據(jù)明顯不同。微測(cè)熱輻射計(jì)熱像儀獲得的數(shù)據(jù)沿著長(zhǎng)度方向表現(xiàn)出大而相對(duì)穩(wěn)定的突起。而光子計(jì)數(shù)熱像儀的數(shù)據(jù)隨著時(shí)間的推移，溫度明顯有所不同。制冷型熱像儀表明，經(jīng)過加熱的顯影輥組件在轉(zhuǎn)動(dòng)的第一周時(shí)，由于與紙張接觸，溫度會(huì)有所降低。繼電器式控制器感應(yīng)到降溫后，會(huì)全幅開啟加熱控制器。最后，當(dāng)顯影輥加熱至預(yù)設(shè)溫度后，控制器會(huì)關(guān)閉加熱過程，由此反復(fù)進(jìn)行。一幅圖像足以幫助研發(fā)工程師確認(rèn)兩項(xiàng)事宜：檢測(cè)產(chǎn)品需要一臺(tái)光子計(jì)數(shù)熱像儀；如需獲得理想的設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要在加熱的顯影輥上加裝PID系統(tǒng)，而不是簡(jiǎn)單的繼電器式控制器。
案例二：
現(xiàn)在來看第2個(gè)例子，我們觀察快速旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇的葉片，為了精確測(cè)量葉片的溫度，我們嘗試獲得葉片的定格畫面。如你所料，如果沒有足夠快的曝光時(shí)間，拍攝的圖像將會(huì)很模糊。實(shí)際上，為了獲得真實(shí)的溫度讀數(shù)，我們又不能讓葉片停止轉(zhuǎn)動(dòng)。
為了精確測(cè)量葉片表面與加熱線圈的溫度，注意制冷型熱像儀的快速積分時(shí)間如何獲得葉片的定格畫面。與之相反的是，因葉片轉(zhuǎn)速過快，非制冷型紅外熱像儀無法記錄葉片表面與加熱線圈的溫度。而且線圈被旋轉(zhuǎn)葉片所遮擋，所測(cè)的溫度將會(huì)偏低。
案例三：
光子計(jì)數(shù)探測(cè)器拍攝的直升機(jī)螺旋槳的定格畫面
非制冷型微測(cè)輻射熱計(jì)探測(cè)器拍攝的直升機(jī)螺旋槳的模糊畫面
為了進(jìn)一步說明問題，來看最后一例：測(cè)量直升機(jī)螺旋槳的熱效應(yīng)。螺旋槳與空氣之間產(chǎn)生的摩擦?xí)刂菪龢纬梢欢ǖ臒崽荻龋娇拷~片尖端，溫度越高。使用非制冷微測(cè)熱輻射計(jì)熱像儀，無法有效的定格目標(biāo)，不能準(zhǔn)確地描述和測(cè)量真實(shí)的溫度。
04
選擇最適合的工具
如你所見，在工作中選擇正確的熱像儀十分重要。如果選擇的熱像儀響應(yīng)時(shí)間較慢，然后又使用高幀頻來獲取讀數(shù)，那么得到的數(shù)據(jù)可能是無效的。一般而言，非制冷紅外熱像儀的幀頻最高可達(dá)50幀/秒。當(dāng)對(duì)快速熱瞬變事件檢測(cè)或?qū)l有一定要求時(shí)，最佳選擇通常是性能較高的制冷型光子計(jì)數(shù)熱像儀。然而，當(dāng)不需要高幀頻時(shí)，非制冷型紅外探測(cè)器熱像儀自然是實(shí)惠之選。
FLIR A6700sc
為滿足客戶的熱成像需求，F(xiàn)LIR提供各種制冷型銻化銦和碲鎘汞熱像儀，如：A6700sc，A6750sc，X6520/30/70sc，X6900sc，X8500sc，以及系列廣泛的非制冷型微測(cè)輻射熱計(jì)熱像儀，如：T650sc。
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