指南︱选购科研用红外热像仪的七大须知

致读者：
20世纪60年代中期，我们推出了首台商用红外热像仪。如今，我们已成为全球最大的红外热像仪生产商，拥有全世界最大的培训机构——红外技术培训中心(ITC)。FLIR凝聚了我们在红外热像仪领域50余年的经验和知识，编写成“选购科研用红外热像仪的七大须知”这一手册。我们坚信您定会从中受益，从而选购到性能最佳的研发用红外热像仪。
                                                                                                David C Bursell
                                                                                               科研事业部总监


简介
红外热像仪或热成像仪就是将红外辐射转化为可视图像，从而描绘物体或场景的温度变化。用户可通过非接触测量的形式测得目标物的温度，用于数据采集、分析和生成报告。使用红外热像仪进行数据查看、记录、分析和生成报告的过程称之为热成像技术。

热成像技术现已成为各种研发项目不可或缺的工具。市面有售的红外热像仪琳琅满目，价格与功能参差不齐，因此想正确选购一台满足特定应用的热像仪并非易事。

为了保证您现在和将来都能选购到满足自己使用需求的高质量红外热像仪，FLIR列出了选购研发用红外热像仪的七大须知。它能引导您明确项目需求，帮助您选择最符合特定应用的热像仪。基于7点建议的讨论通过指导您创建需求文件，帮助您缩小红外热像仪的选择范围，为您的最终选购指明方向。

第1点：
您要测量什么温度？

红外热像仪的常见应用就是测量所研究物体的温度变化。测量温度时需考虑的两点是：所测物体的温度范围和希望获得的温度分辨率。回答这两个问题将帮助您缩小选择范围，获得最适合您需求的红外热像仪和探测器类型。

温度范围：

温度范围即测量物体会有多冷或多热。这也可能就是您可以测得的最低或最高温度值。例如，您在拍摄停在跑道上的飞机的引擎。飞机机身的温度可能为25°C左右，而引擎的温度大约为500°C。所以您的温度范围大概是25°C到500°C，那么您就要选择能够一次拍摄到整个温度范围的热像仪系统。

温度分辨率：

温度分辨率是您需要测量的最小温度差，通常被称为红外热像仪的热灵敏度。基于不同的红外热像仪探测器类型，热像仪的热灵敏度可以在0.025 °C以下到0.075 °C以下之间。

红外热像仪的温度分辨率或灵敏度通常又称为噪音等效温差(NETD)。这一参数是红外热像仪能够检测到的高于其本底噪声的最小温度差。简言之，这就是您使用特定热像仪能够检测到的最小温差值。表1显示了不同型号红外热像仪的常见温度范围和温度分辨率。


表1：常见红外热像仪的温度范围和温度分辨率

由表1可知，A325的温度范围更广，但温度分辨率(温度灵敏度)偏低；而A6700sc的温度分辨率更高，但整体温度范围偏窄。(若能使A6700sc的整体温度范围大于A325，问题便迎仍而解。接下来我们将进一步讲述两台热像仪的优势。)如您所知，热像仪的选购方案不胜枚举，但如果能首先确定温度范围与温度分辨率，那么将有助于缩小热像仪的选购范围，选择到能满足应用要求的热像仪。

注：红外热像仪的温度分辨率(热灵敏度)和测温精度是不同的。测温精度是热像仪能够准确测量物体确切温度的能力。为了便于解释，设想我们在扫描一杯90°C的热咖啡，但之后温度下降到了89°C。热灵敏度良好的热像仪能够轻松检测到温度变化。但如果没有正确校对，热像仪可能检测到温度从91°C下降到了90°C。这样在该例中，热像仪的测温精度大概就是+/-1°C。

第2点：
您需要捕捉数据的速度有多快？

回答该问题需考虑三个因素：曝光时间、帧频与总记录时间。

曝光时间

曝光时间是指红外热像仪捕捉单帧数据的速度，这类似于传统可见光相机的快门速度。红外热像仪的曝光时间指的是积分时间，或探测器的热时间常数。这两个术语仅指捕获一幅热图像所用的时间。

现在，我们对红外热像仪的曝光时间做一个类比，即：就具有更长或更短曝光时间的传统相机的优势进行比较。对于这两种相机而言，曝光时间越短，捕捉高速移动事件时，图片变模糊的可能性就越小。然而，由于曝光时间偏短，热像仪拍摄目标物的时间就越少；因此可能会导致曝光不足。另一方面，如果曝光时间越长，就能从感兴趣目标物采集到更多的光线(对于传统相机而言)或热能(对于红外热像仪而言)。当然，缺点就是如果目标物快速移动时，图像有可能变模糊。

因此，短时间曝光和长时间曝光之间存在一个平衡点。但是，根据表1我们可知，某些热像仪的热分辨率越高，其热灵敏度也就越高，由此我们就可以推导出，在观测相同的热目标物时，就拍摄同一幅图像而言，热灵敏度高的热像仪比热灵敏度低的热像仪需要的曝光时间更短。对于具有较高热分辨率探测器的热像仪，我们可一举两得，即：获更低温度目标物的优质图像，且图像无动态模糊现象。

为了确定特定的红外热像仪能否满足速度要求，需要考虑以下因素：

目标物的运动情况
● 目标物升温或降温的速度
● 红外热像仪的运动情况
● 帧频(帧/秒)
● 热像仪系统的帧频是指红外热像仪每秒所能采集到的热图像数量。帧频高的红外热像仪系统能捕捉到快速移动目标物的热图像，如弹道或爆炸场面。如果数据采集速度足够快，甚至能捕获移动目标物的移动顺序，然后慢动作回放。因此，热像仪的帧频越大，对动态变化目标物的测量效果就越佳。

可想而知，曝光时间越短，帧频越大。热像仪的帧频可从几帧/秒到数千帧/秒不等。表1添加帧频一栏后，如下所示：


表2：常见红外热像仪的帧频和曝光时间

总记录时间

您是计划长时间高速捕捉数据，还是高速捕获短脉冲数据，或是数小时内慢速记录数据？与热像仪一样，数据记录的选择方案也不计其数；因此，我们应该对所有的数据采集情况进行探究，从而决定出需要哪种类型的红外记录系统。

与SC660一样，某些红外热像仪自带存储功能，可以将数据存储在内置闪存或可拆卸Compact SD卡中。而其他热像仪，如Silver与Titanium，则通过千兆以太网或CameraLink将高速热数据流传送至PC或笔记本电脑，以备记录之用。对于高速扩展时长的记录，其解决方案是将数。

据流传到RAID磁盘阵列，该磁盘阵列具有处理快速帧频的能力，巨大的容量空间可长时间记录数据。

因此，根据帧频和总记录时间可得出哪种热像仪和数据记录系统是您的最佳选择。

第3点：
您所测目标的大小及距离是多少？

为获得测量目标的最佳热图像和最多测量点，您应该选择视场角中能够覆盖测量目标的镜头。同时，您一般还希望能将您的空间分辨率最优化，以确保需要看到的最小细节符合您的瞬时视场角。

空间分辨率

空间分辨率等同于瞬时视场角(IFoV)。两者都是能在目标物上检测到的最细微的细节，而且都是基于热像仪(探测器)单个像素点所能覆盖的最小区域之上。离目标物越近，像素点将能检测的区域就越小，离目标物越远，检测区域越大。(详见图1)。


图1：视场角和瞬时视场角

视场角(FoV)

您会注意到，当从远处观察目标物时，视场角也会变化。这一点与空间分辨率相似，也就意味着远距离观察时，聚焦在目标物上的像素点要少于近处观察时。理想情况下，您希望目标物能铺满整个视场角，但实际上是无法实现的，因为目标物的热量或危险因素可能会损坏热像仪或对操作者构成人身伤害。

一旦确定了理想视场角和空间分辨率，您可以选择适最适合您的镜头或一组镜头。人工确定这些数值所需的计算量十分惊人，因此FLIR研发了一款免费的在线视场角计算器，顺利帮助您完成这一过程。使用这款在线工具时，您只需简单输入目标物大小、离目标物的距离及准备使用的镜头即可。计算器将计算视场角、空间分辨率以及聚焦于该目标物上的镜头像素，极大简化了镜头的选型过程。

第4点：
哪种类型的探测器最适合您的应用？

本指南第1部分曾解释了红外热像仪的测温灵敏度如何因探测器类型不同而有所差异。需要考虑的另一点是：不同的探测器技术检测红外能量所用的波长或波段范围不尽相同。根据您的应用，红外热像仪所能检测能量的波段对测温结果有着重大影响。

请看图2，您会看到一条典型的大气红外透射率曲线。根据本图所示，在7.5μm至13.0μm波段与3.0μm至5.0μm波段，大气红外透射率良好。因此，如果您的应用需要透过大气进行远距离检测，那么选购能在上述大气透射窗口模式下工作的探测器是最佳选择。


图2：红外能量的大气透射率

同样的道理也适用于一般观察或穿透材料观察的其他应用。例如，如何测量灯泡内灯丝的温度？要实现该目的，您需要穿透灯泡的外层玻璃。查看一下灯泡玻璃的透射率曲线(图3)，您会发现一个允许红外光透射的光谱窗。透过灯泡玻璃测量灯丝温度时，需要热像仪检测到3.0μm至4.1μm的波段。


图3：灯泡玻璃案例的透射率曲线

图4所示为使用玻璃透射窗探测范围内的热像仪测量灯泡时的情况。该热图像采用带有锑化铟探测器的热像仪拍摄，我们能够测量灯泡灯丝温度。


图4：采用配备锑化铟探测器(3.0μm至5.0μm)和小于4.1μm滤光片的热像仪拍摄的灯泡热图像

然而，图5所示为使用玻璃透射窗探测范围以外的热像仪测量灯泡时的情况。在图5的热图像中，显而易见，热像仪能够测量灯泡玻璃表面的温度，而无法测定玻璃内灯丝的温度。


图5：采用配备微量热型探测器(7.5 μm至13.0μm)的热像仪拍摄的灯泡热图像

总而言之，对于一些需要穿透材料进行观察的应用，可根据材料的光谱波段响应值选择特定的探测器。

第5点：
您需要哪种类型的温度分析和最终报告？

截止目前，我们主要探讨了与红外热像仪硬件与数据采集相关的因素，但这仅占系统解决方案的一半比重。通常被忽略的另一半是数据分析与报告生成(数据共享)。在本部分中，我们将重点介绍特定应用需要的数据分析模式及与同事和客户共享数据的方法。

数据分析

FLIR的温度校准型红外热像仪为每个像素提供单位为开尔文、华氏和摄氏度的温度值。显示热图像是快速识别受试单元冷区和热区的有效方法。图像增强、图像相减、发射率调整、图表和图形绘制的技巧也更实用，有助于了解测量目标发生的真正热变化。

图像增强是热成像技术使用的基本方法，用以调整调色板的水平和跨度。该方法能增强图像质量，绘制出微妙的温差。此外，具有基线图像相减功能的软件能够删除任何反射的环境温度，突出显示极小的温度差异。这种技术对具有反射功能或低发射率的物体至关重要。

其他重要工具可完成图表或图形的数据绘制，包括：柱形统计图、线温分布图和温度与时间图。这些图表和图形有助于描述随着时间的推移，测量目标的热量分布和温度变化曲线。图6所示为这些分析工具的示例。


图6：数据分析软件工具示例

报告生成

另一个易被忽略之处是报告生成或数据共享。在研发项目中，所采集和分析的数据一般都需要与他人共享。例如，您可能要与同事共享原始数据以完成进一步分析，或与客户共享分析结果。同样，为了高效利用分析结果，了解共享数据的对象以及他们需要的格式至关重要。

多数情况下，数据分析需要使用MatLab或Excel等第三方软件。还需要用到一个能够导入数据的红外软件包，例如，一份逗号分隔值(CSV)文件在MatLab或Excel应用中便是理想之选。同理，长时间内采集的数据以数据日志文件的形式实现共享是最佳方式，在数据日志文件中，数据以文本文件或电子表格文件的格式进行导入。总之，将数据导入第三方软件做进一步分析是最理想的方法。

对于管理层和客户而言，能够插入电子邮件、幻灯片或文字处理器文档的静态图像或视频文件更利于诠释红外分析结果。因此，将红外序列和图像导出为JPEG或BMP格式作为静态图像，将视频文件导出为AVI或WMV格式实属必要。

第6点：
您还需要哪些附加配件？

除了红外热像仪和软件以外，实施整个项目还需要其它辅助配件。例如，热像仪可能安放在需要外壳保护的环境中。或者热像仪的安装位置远离操作者，需要进行远程操作。在这些情况下，如果选择的热像仪供应商既能提供选配组件，又能交付一站式解决方案，无疑将从中受益匪浅。

如果将热像仪安装在户外或生产车间内，可能要将其安放在设计有特殊红外窗口的外壳内，该窗口专为特定热像仪和探测器优化设计。另外需要考虑的是，热像仪能否在设计有特殊红外窗口的防护罩或其他加压型密封外壳内工作。这两种情况下，均需确保窗口对探测器的灵敏度波段具有良好的透射率，并具有防反射涂层。FLIR提供有效的计算工具，能够计算出最符合您需求的材料类型、大小与厚度要求。FLIR还为大多数热像仪提供安装外壳，推出一套真正属于开箱即用的解决方案。(详见图7)


图7：FLIR防护罩示例

扩展电缆是另一大常用配件，适用于热像仪安装地点距操作者较远的情形。例如，如果热像仪安装在靠近测试区的跟踪架上，由于测试区相当危险，人员无法近距离操作。此时，您可以使用以太网、FireWire或CameraLink连接至光纤转换器，必要时它们能从数英里之外传回全帧频热数据。FLIR同样为上述情况提供解决方案，为您节省时间和资金，并消除您在构建集成测试系统中的盲目性。


在构建热成像系统的最后阶段，选配件还有很多其它因素需要考虑周全；在确定红外系统要求时，一定要考虑测试环境这一因素，将有用的配件名称记录下来。无论是适用的光学组件、扩展电缆、热像仪支架、外壳，或是数据系统，FLIR提供广泛的产品和有关第三方资源的信息，助您解决上述问题。

第7点：
热像仪生产商能提供哪些支持与培训？

在选购红外热像仪时，这往往是常被忽略的一点。同其他精密仪器一样，红外热像仪功能十分广泛。为了充分利用这笔投资，了解其功能和获得厂家支持至关重要。这种支持可能会像在订单上填写交货信息一样简单，也可能像描述反射目标的测温技术一样复杂。当您项目进展不顺，需要维修，以及需要培训时，FLIR将时刻伴您左右，为您排忧解难。

例如，我们的教育和培训包括：
● 以课堂形式提供有组织的培训—对热像仪使用、软件和数据采集系统；应用技术；辐射测量和热成像物理学进行系统培训。
● 在生产工厂培训—能够与设计、制造和维修热像仪系统的工程师面对面交流。
● 区域培训—就近培训，避免舟车劳顿。
● 客户现场培训—现场提供更多特定应用的培训。


使用热像仪实现个性化学习

此外，直接从FLIR购买热像仪的客户还能：
● 与热像仪专家直接接触。
● 获得实时信息—产品升级、新品发布、培训等...
● 专业与专注—FLIR始终专注于：红外成像与测量技术。



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总结
本手册提供的“选购科研用红外热像仪的七大须知”涵盖了选购科研用红外热像仪时应考虑的主要标准。我们希望这些信息充分、实用，能助您缩小选购范围，最终获得切合您需求的热像仪。

如有任何疑问，敬请致电咨询FLIR。我们可以通过电话为您一一释疑。值得一提的是，我们还可以为您安排个人产品演示，让您亲自体验热像仪在实际应用中的工作原理。