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小菲課堂｜精準(zhǔn)測溫高速運轉(zhuǎn)的事物，你應(yīng)該怎樣選擇熱像儀？

發(fā)布日期：2020年05月20日   瀏覽次數(shù)：7次   編輯：深圳連訊

相信很多菲粉們都知道，使用熱電偶或點溫儀測得的熱量并不能完全反映設(shè)備的熱屬性。傳統(tǒng)的測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)千個高速熱測量值，精確顯示熱源與擴散趨勢。選擇合適的紅外熱像儀，您可以搜集到可靠的測量值、生成具有說服力的報告，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數(shù)紅外熱像儀，另一類是經(jīng)濟實惠的非制冷型微測熱輻射計紅外熱像儀。

 

現(xiàn)今市面上的大多數(shù)制冷型熱像儀采用銻化銦(InSb)探測器。制冷型紅外熱像儀通過對特定波段（通常為介于3-5μm的中波紅外波段）內(nèi)能量的光子計數(shù)進行工作。光子撞擊像素，轉(zhuǎn)化成電子并儲存在積分電容器中。像素點以電子的方式，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，F(xiàn)LIR銻化銦熱像儀掃描-20至350?C物體的積分時間為6ms-50μs。這些極短的積分時間為定格畫面、精確測量每個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)斗機的定格圖像

 

一個傳統(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)熱能聚焦于像素點時，像素點會隨之升溫或冷卻。因像素點的電阻隨著溫度的變化而變化，其大小可測量，能通過校準(zhǔn)操作映射回目標(biāo)溫度。由于像素點有限定質(zhì)量，因此它們有相應(yīng)的熱時間常數(shù)?，F(xiàn)今基于微測輻射熱計熱像儀，其時間常數(shù)一般為8-12ms。但這并不意味著像素點能在8-12ms內(nèi)立即響應(yīng)，并提供精確結(jié)果！一般經(jīng)驗是：處理躍階輸入信號的一階系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)的所需的時間是時間常數(shù)的5倍。

02

時間常數(shù)和思維實驗

為了探討微測輻射熱計探測器的響應(yīng)時間，我們來打一個有趣的比方，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。讓微測輻射熱計探測器先對準(zhǔn)冰水，然后瞬間切換到沸水(100?C的躍階輸入)，記錄這一過程的測溫結(jié)果。如果我們將10ms的熱時間常數(shù)轉(zhuǎn)換成一半時間以便于計算，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，一半時間=7ms

 

我們來看微測輻射熱計探測器紅的報告結(jié)果，在7ms(即一個減半時間)時溫度為50?C，2個減半時間時溫度為75?C，3減個半時間時溫度為87.5?C等。如果我們嘗試以100幀/秒或在10ms時讀出溫度，結(jié)果會怎樣？熱像儀的讀數(shù)為63?C，產(chǎn)生了37?C的誤差。熱像儀會精確報告像素點的溫度，但是像素點尚未達到正檢測的場景的溫度。一般說來，如果將非制冷型微測熱輻射計的幀頻設(shè)置為30幀/秒以上時，結(jié)果毫無意義！

03

真實數(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

 

使用制冷型光子計數(shù)熱像儀與非制冷型微測熱輻射計熱像儀捕捉每邊的數(shù)據(jù)。

 

銻化銦探測器與非制冷型微測輻射熱計探測器在測量熱瞬時事件中的性能對比

 

上圖表明，兩類熱像儀所獲得的數(shù)據(jù)明顯不同。微測熱輻射計熱像儀獲得的數(shù)據(jù)沿著長度方向表現(xiàn)出大而相對穩(wěn)定的突起。而光子計數(shù)熱像儀的數(shù)據(jù)隨著時間的推移，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)動的第一周時，由于與紙張接觸，溫度會有所降低。繼電器式控制器感應(yīng)到降溫后，會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，控制器會關(guān)閉加熱過程，由此反復(fù)進行。一幅圖像足以幫助研發(fā)工程師確認(rèn)兩項事宜：檢測產(chǎn)品需要一臺光子計數(shù)熱像儀；如需獲得理想的設(shè)計目標(biāo)，需要在加熱的顯影輥上加裝PID系統(tǒng)，而不是簡單的繼電器式控制器。

案例二：

現(xiàn)在來看第2個例子，我們觀察快速旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇的葉片，為了精確測量葉片的溫度，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間，拍攝的圖像將會很模糊。實際上，為了獲得真實的溫度讀數(shù)，我們又不能讓葉片停止轉(zhuǎn)動。

 

為了精確測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，所測的溫度將會偏低。

案例三：

 

光子計數(shù)探測器拍攝的直升機螺旋槳的定格畫面

 

非制冷型微測輻射熱計探測器拍攝的直升機螺旋槳的模糊畫面

為了進一步說明問題，來看最后一例：測量直升機螺旋槳的熱效應(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?，越靠近葉片尖端，溫度越高。使用非制冷微測熱輻射計熱像儀，無法有效的定格目標(biāo)，不能準(zhǔn)確地描述和測量真實的溫度。

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50幀/秒。當(dāng)對快速熱瞬變事件檢測或?qū)l有一定要求時，最佳選擇通常是性能較高的制冷型光子計數(shù)熱像儀。然而，當(dāng)不需要高幀頻時，非制冷型紅外探測器熱像儀自然是實惠之選。

 

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輻射熱計熱像儀，如：T650sc。

 

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