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精準測溫高速運轉的物體,如何選擇熱像儀?

時間:2020-11-17 18:01:25

  隨著現在科技的發展,現在很多的一些熱像儀的使用,傳統的測量方法例如使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,更無法提供能全面描繪高速熱應用的分辨率與速度。

  但現在紅外熱像儀能捕獲數千個高速熱測量值,精確顯示熱源與擴散趨勢。這時如果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據。

  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對特定波段(通常為介于3-5μm的中波紅外波段)內能量的光子計數進行工作。光子撞擊像素,轉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、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”戰斗機的定格圖像

  一個傳統熱電偶的熱圖像

  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。由于像素點有限定質量,因此它們有相應的熱時間常數?,F今基于微測輻射熱計熱像儀,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。

  02時間常數和思維實驗

  為了探討微測輻射熱計探測器的響應時間,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100?C快速沸騰的沸水。讓微測輻射熱計探測器先對準冰水,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果。如果我們將10ms的熱時間常數轉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的系統響應,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,結果會怎樣?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置為30幀/秒以上時,結果毫無意義!

  03 真實數據

  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熱像儀與非制冷型微測熱輻射計熱像儀捕捉每邊的數據。

  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。而光子計數熱像儀的數據隨著時間的推移,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。

  繼電器式控制器感應到降溫后,會全幅開啟加熱控制器。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,而不是簡單的繼電器式控制器。

  案例二:

  現在來看第2個例子,我們觀察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。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,我們又不能讓葉片停止轉動。

  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。

 

  光子計數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。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,無法有效的定格目標,不能準確地描述和測量真實的溫度。

  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時間較慢,然后又使用高幀頻來獲取讀數,那么得到的數據可能是無效的。

  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。

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