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高速紅外熱像儀——完美解決用戶速度需求

文章出處:責任編輯:作者:人氣:-發表時間:2015-12-25 14:34:00

  采用熱電偶或點溫儀測得的熱量并不能完全反映設備的熱屬性。傳統方法無法提供能全面描繪高速熱應用的分辨率與速度。相反,紅外熱像儀能捕獲成千上萬個快速變化的熱點,精確顯示熱源與擴散趨勢。選擇合適的熱像儀、搜集可靠的測量值、生成具有說服力的報告,為研究工作奠定堅實的基礎。

 

 

紅外熱像儀的類型

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紅外熱像儀,另一類是經濟實惠的非制冷型微測熱輻射計紅外熱像儀。

現今市面上的大多數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計算某一個特定波段(尤指3-5μm的中波紅外波段)能量的光子來工作。光子撞擊像素點,轉化為可存儲于積分電容器的電子。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。根據不同的熱像儀型號,FLIR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提供了可能性,能夠精確測量每個快速變化的瞬間。

與制冷型熱像儀相比,非制冷型熱像儀成本更低、質量更輕、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生明顯變化。常見材料為:氧化釩或非晶硅。

當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,能通過校準操作映射回目標溫度。像素點擁有限定的質量,它們有相應的熱時間常數?,F今配備有非制冷型微測熱輻射計紅外探測器的熱像儀,其時間常數一般為8-12ms。但這并不意味著像素點能在8-12ms內立即響應,并提供精確結果!一般經驗是:處理躍階輸入信號的一階系統達到穩定狀態的所需的時間是時間常數的5倍。
時間常數與思維實驗
為了探討紅外探測器的響應時間,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,另一桶是讓水在100?C時快速沸騰。讓紅外探測器先對準冰水,然后瞬時切換至對準沸水(100?C的躍階輸入),記錄這一過程的測溫結果。為便于計算,則10ms的熱時間常數可以轉換為7ms的減半時間。

 

我們來看紅外探測器的報告結果,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。如果我們嘗試讀取探測器在100幀/秒或10ms時的溫度時將如何?熱像儀的讀數為63?C,產生了37?C的誤差。熱像儀會精確報告像素點的溫度,但是像素點并未獲得探測場景的溫度。一般說來,如果將非制冷型微測熱輻射計的幀頻設置為30幀/秒以上時,效果會差強人意。

 

 

真實數據

 

 

 

 

 我們來討論一下打印過程,此過程需要將打印紙加熱至60℃。打印紙繞著顯影輥輸出的速率為50英寸/秒,且在長、寬兩個邊上的溫度須均勻。

 

 

 使用制冷型光子計數熱像儀與非制冷型微測熱輻射計熱像儀捕獲每邊的數據。

 

 

圖3表明,兩類熱像儀所獲得的數據明顯不同。微測熱輻射計熱像儀獲得的數據沿著長度方向表現出大而相對穩定的突起。而光子計數熱像儀隨著時間的推移,溫度明顯有所不同。制冷型熱像儀表明,經過加熱的顯影輥組件在轉動的第一周時,由于與紙張接觸,溫度會有所降低。雙滯環控制器感應到降溫后,會全幅開啟加熱器控制器。最后,當顯影輥加熱至預設溫度后,控制器會關閉加熱過程,由此反復進行。一幅圖像足以幫助研發工程師確認兩項事宜:檢測產品需要一臺光子計數熱像儀;如需獲得理想的設計目標,需要在加熱的顯影輥上加裝PID系統,而非雙滯環控制器。

現在來看第2個例子,我們注視著快速旋轉風扇的葉片,為了精確測量葉片的溫度,我們嘗試獲得葉片的定格畫面。我們知道,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,我們又不能讓葉片停止轉動。(如圖4所示)。

 

 

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。而且線圈被旋轉葉片所遮擋,所測的溫度將會偏低。

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。螺旋槳與空氣之間產生的摩擦會沿著螺旋槳形成一定的熱梯度,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,無法為精確描繪和測量真實溫度而有效定格目標。(如圖5和圖6所示)。

 

 

為測量任務選擇正確的工具
為完成這項工作,我們知道,選擇正確的熱探測器十分重要。如果選擇的探測器響應時間較慢,然后又使用高幀頻來獲取讀數,那么得到的數據必定不甚理想。一般而言,非制冷紅外探測器的幀頻最高可達50幀/秒。當對快速熱瞬變事件檢測或對幀頻有一定要求時,最佳選擇通常是性能較高的制冷型光子計數熱像儀。然而,當不需要高幀頻時,非制冷型紅外探測器熱像儀自然是實惠之選。

 

 

為滿足客戶的熱成像需求,FLIR提供各種制冷型銻化銦熱像儀,如:A6700sc,以及系列廣泛的非制冷型微測輻射熱計熱像儀,如:T650sc。

更多詳細信息,歡迎咨詢:上海譜盟光電,400-920-2866,給您帶來專業的指導建議;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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