選購科研用紅外熱像儀的七大須知

2025China.cn 2017年02月07日

　　紅外熱像儀或熱成像儀就是將紅外輻射轉(zhuǎn)化為可視圖像，從而描繪物體或場景的溫度變化。用戶可通過非接觸測量的形式測得目標(biāo)物的溫度，用于數(shù)據(jù)采集、分析和生成報告。使用紅外熱像儀進行數(shù)據(jù)查看、記錄、分析和生成報告的過程稱之為熱成像技術(shù)。

　　熱成像技術(shù)現(xiàn)已成為各種研發(fā)項目不可或缺的工具。市面有售的紅外熱像儀琳瑯滿目，價格與功能參差不齊，因此想正確選購一臺滿足特定應(yīng)用的熱像儀并非易事。

　　為了保證您現(xiàn)在和將來都能選購到滿足自己使用需求的高質(zhì)量紅外熱像儀，F(xiàn)LIR列出了選購研發(fā)用紅外熱像儀的七大須知。它能引導(dǎo)您明確項目需求，幫助您選擇最符合特定應(yīng)用的熱像儀?；?點建議的討論通過指導(dǎo)您創(chuàng)建需求文件，幫助您縮小紅外熱像儀的選擇范圍，為您的最終選購指明方向。

　　第1點：

　　您要測量什么溫度?

　　紅外熱像儀的常見應(yīng)用就是測量所研究物體的溫度變化。測量溫度時需考慮的兩點是：所測物體的溫度范圍和希望獲得的溫度分辨率?；卮疬@兩個問題將幫助您縮小選擇范圍，獲得最適合您需求的紅外熱像儀和探測器類型。

　　溫度范圍：

　　溫度范圍即測量物體會有多冷或多熱。這也可能就是您可以測得的最低或最高溫度值。例如，您在拍攝停在跑道上的飛機的引擎。飛機機身的溫度可能為25°C左右，而引擎的溫度大約為500°C。所以您的溫度范圍大概是25°C到500°C，那么您就要選擇能夠一次拍攝到整個溫度范圍的熱像儀系統(tǒng)。

　　溫度分辨率：

　　溫度分辨率是您需要測量的最小溫度差，通常被稱為紅外熱像儀的熱靈敏度?；诓煌募t外熱像儀探測器類型，熱像儀的熱靈敏度可以在0.025 °C以下到0.075 °C以下之間。

　　紅外熱像儀的溫度分辨率或靈敏度通常又稱為噪音等效溫差(NETD)。這一參數(shù)是紅外熱像儀能夠檢測到的高于其本底噪聲的最小溫度差。簡言之，這就是您使用特定熱像儀能夠檢測到的最小溫差值。表1顯示了不同型號紅外熱像儀的常見溫度范圍和溫度分辨率。

　　表1：常見紅外熱像儀的溫度范圍和溫度分辨率

　　由表1可知，A325的溫度范圍更廣，但溫度分辨率(溫度靈敏度)偏低;而A6700sc的溫度分辨率更高，但整體溫度范圍偏窄。(若能使A6700sc的整體溫度范圍大于A325，問題便迎仍而解。接下來我們將進一步講述兩臺熱像儀的優(yōu)勢。)如您所知，熱像儀的選購方案不勝枚舉，但如果能首先確定溫度范圍與溫度分辨率，那么將有助于縮小熱像儀的選購范圍，選擇到能滿足應(yīng)用要求的熱像儀。

　　注：紅外熱像儀的溫度分辨率(熱靈敏度)和測溫精度是不同的。測溫精度是熱像儀能夠準(zhǔn)確測量物體確切溫度的能力。為了便于解釋，設(shè)想我們在掃描一杯90°C的熱咖啡，但之后溫度下降到了89°C。熱靈敏度良好的熱像儀能夠輕松檢測到溫度變化。但如果沒有正確校對，熱像儀可能檢測到溫度從91°C下降到了90°C。這樣在該例中，熱像儀的測溫精度大概就是+/-1°C。

　　第2點：

　　您需要捕捉數(shù)據(jù)的速度有多快?

　　回答該問題需考慮三個因素：曝光時間、幀頻與總記錄時間。

　　曝光時間

　　曝光時間是指紅外熱像儀捕捉單幀數(shù)據(jù)的速度，這類似于傳統(tǒng)可見光相機的快門速度。紅外熱像儀的曝光時間指的是積分時間，或探測器的熱時間常數(shù)。這兩個術(shù)語僅指捕獲一幅熱圖像所用的時間。

　　現(xiàn)在，我們對紅外熱像儀的曝光時間做一個類比，即：就具有更長或更短曝光時間的傳統(tǒng)相機的優(yōu)勢進行比較。對于這兩種相機而言，曝光時間越短，捕捉高速移動事件時，圖片變模糊的可能性就越小。然而，由于曝光時間偏短，熱像儀拍攝目標(biāo)物的時間就越少;因此可能會導(dǎo)致曝光不足。另一方面，如果曝光時間越長，就能從感興趣目標(biāo)物采集到更多的光線(對于傳統(tǒng)相機而言)或熱能(對于紅外熱像儀而言)。當(dāng)然，缺點就是如果目標(biāo)物快速移動時，圖像有可能變模糊。

　　因此，短時間曝光和長時間曝光之間存在一個平衡點。但是，根據(jù)表1我們可知，某些熱像儀的熱分辨率越高，其熱靈敏度也就越高，由此我們就可以推導(dǎo)出，在觀測相同的熱目標(biāo)物時，就拍攝同一幅圖像而言，熱靈敏度高的熱像儀比熱靈敏度低的熱像儀需要的曝光時間更短。對于具有較高熱分辨率探測器的熱像儀，我們可一舉兩得，即：獲更低溫度目標(biāo)物的優(yōu)質(zhì)圖像，且圖像無動態(tài)模糊現(xiàn)象。

　　為了確定特定的紅外熱像儀能否滿足速度要求，需要考慮以下因素：

　　目標(biāo)物的運動情況

　　目標(biāo)物升溫或降溫的速度

　　紅外熱像儀的運動情況

　　幀頻(幀/秒)

　　熱像儀系統(tǒng)的幀頻是指紅外熱像儀每秒所能采集到的熱圖像數(shù)量。幀頻高的紅外熱像儀系統(tǒng)能捕捉到快速移動目標(biāo)物的熱圖像，如彈道或爆炸場面。如果數(shù)據(jù)采集速度足夠快，甚至能捕獲移動目標(biāo)物的移動順序，然后慢動作回放。因此，熱像儀的幀頻越大，對動態(tài)變化目標(biāo)物的測量效果就越佳。

　　可想而知，曝光時間越短，幀頻越大。熱像儀的幀頻可從幾幀/秒到數(shù)千幀/秒不等。表1添加幀頻一欄后，如下所示：

　　表2：常見紅外熱像儀的幀頻和曝光時間

　　總記錄時間

　　您是計劃長時間高速捕捉數(shù)據(jù)，還是高速捕獲短脈沖數(shù)據(jù)，或是數(shù)小時內(nèi)慢速記錄數(shù)據(jù)?與熱像儀一樣，數(shù)據(jù)記錄的選擇方案也不計其數(shù);因此，我們應(yīng)該對所有的數(shù)據(jù)采集情況進行探究，從而決定出需要哪種類型的紅外記錄系統(tǒng)。

　　與SC660一樣，某些紅外熱像儀自帶存儲功能，可以將數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)置閃存或可拆卸Compact SD卡中。而其他熱像儀，如Silver與Titanium，則通過千兆以太網(wǎng)或CameraLink將高速熱數(shù)據(jù)流傳送至PC或筆記本電腦，以備記錄之用。對于高速擴展時長的記錄，其解決方案是將數(shù)。

　　據(jù)流傳到RAID磁盤陣列，該磁盤陣列具有處理快速幀頻的能力，巨大的容量空間可長時間記錄數(shù)據(jù)。

　　因此，根據(jù)幀頻和總記錄時間可得出哪種熱像儀和數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)是您的最佳選擇。

　　第3點：

　　您所測目標(biāo)的大小及距離是多少?

　　為獲得測量目標(biāo)的最佳熱圖像和最多測量點，您應(yīng)該選擇視場角中能夠覆蓋測量目標(biāo)的鏡頭。同時，您一般還希望能將您的空間分辨率最優(yōu)化，以確保需要看到的最小細節(jié)符合您的瞬時視場角。

　　空間分辨率

　　空間分辨率等同于瞬時視場角(IFoV)。兩者都是能在目標(biāo)物上檢測到的最細微的細節(jié)，而且都是基于熱像儀(探測器)單個像素點所能覆蓋的最小區(qū)域之上。離目標(biāo)物越近，像素點將能檢測的區(qū)域就越小，離目標(biāo)物越遠，檢測區(qū)域越大。(詳見圖1)。

　　圖1：視場角和瞬時視場角

　　視場角(FoV)

　　您會注意到，當(dāng)從遠處觀察目標(biāo)物時，視場角也會變化。這一點與空間分辨率相似，也就意味著遠距離觀察時，聚焦在目標(biāo)物上的像素點要少于近處觀察時。理想情況下，您希望目標(biāo)物能鋪滿整個視場角，但實際上是無法實現(xiàn)的，因為目標(biāo)物的熱量或危險因素可能會損壞熱像儀或?qū)Σ僮髡邩?gòu)成人身傷害。

　　一旦確定了理想視場角和空間分辨率，您可以選擇適最適合您的鏡頭或一組鏡頭。人工確定這些數(shù)值所需的計算量十分驚人，因此FLIR研發(fā)了一款免費的在線視場角計算器，順利幫助您完成這一過程。使用這款在線工具時，您只需簡單輸入目標(biāo)物大小、離目標(biāo)物的距離及準(zhǔn)備使用的鏡頭即可。計算器將計算視場角、空間分辨率以及聚焦于該目標(biāo)物上的鏡頭像素，極大簡化了鏡頭的選型過程。

　　第4點：

　　哪種類型的探測器最適合您的應(yīng)用?

　　本指南第1部分曾解釋了紅外熱像儀的測溫靈敏度如何因探測器類型不同而有所差異。需要考慮的另一點是：不同的探測器技術(shù)檢測紅外能量所用的波長或波段范圍不盡相同。根據(jù)您的應(yīng)用，紅外熱像儀所能檢測能量的波段對測溫結(jié)果有著重大影響。

　　請看圖2，您會看到一條典型的大氣紅外透射率曲線。根據(jù)本圖所示，在7.5μm至13.0μm波段與3.0μm至5.0μm波段，大氣紅外透射率良好。因此，如果您的應(yīng)用需要透過大氣進行遠距離檢測，那么選購能在上述大氣透射窗口模式下工作的探測器是最佳選擇。

　　圖2：紅外能量的大氣透射率

　　同樣的道理也適用于一般觀察或穿透材料觀察的其他應(yīng)用。例如，如何測量燈泡內(nèi)燈絲的溫度?要實現(xiàn)該目的，您需要穿透燈泡的外層玻璃。查看一下燈泡玻璃的透射率曲線(圖3)，您會發(fā)現(xiàn)一個允許紅外光透射的光譜窗。透過燈泡玻璃測量燈絲溫度時，需要熱像儀檢測到3.0μm至4.1μm的波段。

　　圖3：燈泡玻璃案例的透射率曲線

　　圖4所示為使用玻璃透射窗探測范圍內(nèi)的熱像儀測量燈泡時的情況。該熱圖像采用帶有銻化銦探測器的熱像儀拍攝，我們能夠測量燈泡燈絲溫度。

　　圖4：采用配備銻化銦探測器(3.0μm至5.0μm)和小于4.1μm濾光片的熱像儀拍攝的燈泡熱圖像

　　然而，圖5所示為使用玻璃透射窗探測范圍以外的熱像儀測量燈泡時的情況。在圖5的熱圖像中，顯而易見，熱像儀能夠測量燈泡玻璃表面的溫度，而無法測定玻璃內(nèi)燈絲的溫度。

　　圖5：采用配備微量熱型探測器(7.5 μm至13.0μm)的熱像儀拍攝的燈泡熱圖像

　　總而言之，對于一些需要穿透材料進行觀察的應(yīng)用，可根據(jù)材料的光譜波段響應(yīng)值選擇特定的探測器。

　　第5點：

　　您需要哪種類型的溫度分析和最終報告?

　　截止目前，我們主要探討了與紅外熱像儀硬件與數(shù)據(jù)采集相關(guān)的因素，但這僅占系統(tǒng)解決方案的一半比重。通常被忽略的另一半是數(shù)據(jù)分析與報告生成(數(shù)據(jù)共享)。在本部分中，我們將重點介紹特定應(yīng)用需要的數(shù)據(jù)分析模式及與同事和客戶共享數(shù)據(jù)的方法。

　　數(shù)據(jù)分析

　　FLIR的溫度校準(zhǔn)型紅外熱像儀為每個像素提供單位為開爾文、華氏和攝氏度的溫度值。顯示熱圖像是快速識別受試單元冷區(qū)和熱區(qū)的有效方法。圖像增強、圖像相減、發(fā)射率調(diào)整、圖表和圖形繪制的技巧也更實用，有助于了解測量目標(biāo)發(fā)生的真正熱變化。

　　圖像增強是熱成像技術(shù)使用的基本方法，用以調(diào)整調(diào)色板的水平和跨度。該方法能增強圖像質(zhì)量，繪制出微妙的溫差。此外，具有基線圖像相減功能的軟件能夠刪除任何反射的環(huán)境溫度，突出顯示極小的溫度差異。這種技術(shù)對具有反射功能或低發(fā)射率的物體至關(guān)重要。

　　其他重要工具可完成圖表或圖形的數(shù)據(jù)繪制，包括：柱形統(tǒng)計圖、線溫分布圖和溫度與時間圖。這些圖表和圖形有助于描述隨著時間的推移，測量目標(biāo)的熱量分布和溫度變化曲線。圖6所示為這些分析工具的示例。

　　圖6：數(shù)據(jù)分析軟件工具示例

　　報告生成

　　另一個易被忽略之處是報告生成或數(shù)據(jù)共享。在研發(fā)項目中，所采集和分析的數(shù)據(jù)一般都需要與他人共享。例如，您可能要與同事共享原始數(shù)據(jù)以完成進一步分析，或與客戶共享分析結(jié)果。同樣，為了高效利用分析結(jié)果，了解共享數(shù)據(jù)的對象以及他們需要的格式至關(guān)重要。

　　多數(shù)情況下，數(shù)據(jù)分析需要使用MatLab或Excel等第三方軟件。還需要用到一個能夠?qū)霐?shù)據(jù)的紅外軟件包，例如，一份逗號分隔值(CSV)文件在MatLab或Excel應(yīng)用中便是理想之選。同理，長時間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)日志文件的形式實現(xiàn)共享是最佳方式，在數(shù)據(jù)日志文件中，數(shù)據(jù)以文本文件或電子表格文件的格式進行導(dǎo)入。總之，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入第三方軟件做進一步分析是最理想的方法。

　　對于管理層和客戶而言，能夠插入電子郵件、幻燈片或文字處理器文檔的靜態(tài)圖像或視頻文件更利于詮釋紅外分析結(jié)果。因此，將紅外序列和圖像導(dǎo)出為JPEG或BMP格式作為靜態(tài)圖像，將視頻文件導(dǎo)出為AVI或WMV格式實屬必要。

　　第6點：

　　您還需要哪些附加配件?

　　除了紅外熱像儀和軟件以外，實施整個項目還需要其它輔助配件。例如，熱像儀可能安放在需要外殼保護的環(huán)境中?；蛘邿嵯駜x的安裝位置遠離操作者，需要進行遠程操作。在這些情況下，如果選擇的熱像儀供應(yīng)商既能提供選配組件，又能交付一站式解決方案，無疑將從中受益匪淺。

　　如果將熱像儀安裝在戶外或生產(chǎn)車間內(nèi)，可能要將其安放在設(shè)計有特殊紅外窗口的外殼內(nèi)，該窗口專為特定熱像儀和探測器優(yōu)化設(shè)計。另外需要考慮的是，熱像儀能否在設(shè)計有特殊紅外窗口的防護罩或其他加壓型密封外殼內(nèi)工作。這兩種情況下，均需確保窗口對探測器的靈敏度波段具有良好的透射率，并具有防反射涂層。FLIR提供有效的計算工具，能夠計算出最符合您需求的材料類型、大小與厚度要求。FLIR還為大多數(shù)熱像儀提供安裝外殼，推出一套真正屬于開箱即用的解決方案。(詳見圖7)

　　圖7：FLIR防護罩示例

　　擴展電纜是另一大常用配件，適用于熱像儀安裝地點距操作者較遠的情形。例如，如果熱像儀安裝在靠近測試區(qū)的跟蹤架上，由于測試區(qū)相當(dāng)危險，人員無法近距離操作。此時，您可以使用以太網(wǎng)、FireWire或CameraLink連接至光纖轉(zhuǎn)換器，必要時它們能從數(shù)英里之外傳回全幀頻熱數(shù)據(jù)。FLIR同樣為上述情況提供解決方案，為您節(jié)省時間和資金，并消除您在構(gòu)建集成測試系統(tǒng)中的盲目性。

　　在構(gòu)建熱成像系統(tǒng)的最后階段，選配件還有很多其它因素需要考慮周全;在確定紅外系統(tǒng)要求時，一定要考慮測試環(huán)境這一因素，將有用的配件名稱記錄下來。無論是適用的光學(xué)組件、擴展電纜、熱像儀支架、外殼，或是數(shù)據(jù)系統(tǒng)，F(xiàn)LIR提供廣泛的產(chǎn)品和有關(guān)第三方資源的信息，助您解決上述問題。

　　第7點：

　　熱像儀生產(chǎn)商能提供哪些支持與培訓(xùn)?

　　在選購紅外熱像儀時，這往往是常被忽略的一點。同其他精密儀器一樣，紅外熱像儀功能十分廣泛。為了充分利用這筆投資，了解其功能和獲得廠家支持至關(guān)重要。這種支持可能會像在訂單上填寫交貨信息一樣簡單，也可能像描述反射目標(biāo)的測溫技術(shù)一樣復(fù)雜。當(dāng)您項目進展不順，需要維修，以及需要培訓(xùn)時，F(xiàn)LIR將時刻伴您左右，為您排憂解難。

　　例如，我們的教育和培訓(xùn)包括：

　　以課堂形式提供有組織的培訓(xùn)—對熱像儀使用、軟件和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);應(yīng)用技術(shù);輻射測量和熱成像物理學(xué)進行系統(tǒng)培訓(xùn)。

　　在生產(chǎn)工廠培訓(xùn)—能夠與設(shè)計、制造和維修熱像儀系統(tǒng)的工程師面對面交流。

　　區(qū)域培訓(xùn)—就近培訓(xùn)，避免舟車勞頓。

　　客戶現(xiàn)場培訓(xùn)—現(xiàn)場提供更多特定應(yīng)用的培訓(xùn)。