技术︱如何才能测量高速移动或温度骤变物体的热量？

　　

   如何才能测量高速移动或温度骤变物体的热量？传统的测温工具，比如热电偶或点温仪，无法提供能完全显示高速热应用特征所需的分辨率或速度。这些工具在用于对移动中物体进行测温时并不实用，至少来说，并不能完整提供物体的热属性信息。　　

　　相比之下，红外热像仪可以测量整个场景中的温度，捕捉每一像素的热数据。红外热像仪能够实现快速、准确、非接触式的温度测量。通过为相关应用选择正确的热像仪类型，你便能够收集到可靠的高速测温数据，生成定格的热图像，并给出具有说服力的研究数据。

　　点测温与区域测温

　　测量一个区域内的温度，而非逐个点、逐个点的进行测温，可以帮助研究人员和工程师对其正在测试的系统做出更好的知情决策。

　　由于热电偶和热敏电阻都需要通过接触才能进行测温，因此它们只能一次提供一个位置的温度数据。而且，小的测试目标一次只能安装少数热电偶。贴在其上，实际上热电偶会散热，而可能改变温度读数。

　　传统热电偶的热图像

　　非接触式的测温可能采用点温仪（也称为红外测温仪），但如同热电偶一样，点温仪只能测量单点的温度。

　　红外热像仪能对绝对零度以上物体发出的热辐射生成热图像。通过提供每一个像素的温度测量值，研究人员可以以非接触的方式对某一场景进行观察和测温。由于红外热像仪提供的数据比热电偶或点温仪要多，而且可以追踪随时间推移所发生的温度变化，所以它们非常适合用于研究和工程设计项目。

　　制冷型与非制冷型红外探测器

　　红外探测器大体可分为两类：一类是热探测器，另一类是量子探测器。

　　热探测器，比如微测辐射热计，会对射入的辐射能产生反应，加热像素，通过电阻的变化来反映出温度的变化。此类红外热像仪不需要制冷，且成本比量子探测器红外热像仪低。
　　
　　制冷型量子探测器采用锑化铟(InSb)、铟镓砷(InGaAs)或应变超晶格制成。这类探测器为光电探测器，即光子撞击像素点，转化为可存储于积分电容器的电子。像素采用的电子快门，通过断开或短路积分电容器来控制快门。　　

　　RPM Energy Associates总裁罗伯特·曼丁博士解释称：“量子探测器在本质上比微测辐射热计的速度要快，主要原因是微测辐射热计必须要改变温度。”　　

　　与改变像素温度相反的是，“量子探测器是将能量加到半导体中的电子里，提至高于进入导电带的探测器能量带隙，”曼丁博士表示，“根据探测器的不同设计，可以测量为探测器电压或电流的变化。这一变化可能发生得非常快。”　

　　锑化铟(InSb)探测器热像仪，比如FLIR X6900sc，在测量-20 ?C至350 ?C之间的物体温度时，其典型的积分时间可能低至0.48μs。如此短的“快照速度”可以定格画面，准确测量非常快的瞬时变化。


　　FLIR锑化铟制冷型热像仪拍摄的FA-18大黄蜂战斗机的定格画面

　　相反，非制冷型热像仪，比如FLIR T1030sc，它的像素由随温度产生明显电阻变化的材料组成。而且，每一个像素的温度都会升高或降低。其电阻随温度的变化而变化，并可测量其数值，同时通过校准流程映射至目标温度。

　　现今配备的微测辐射热计红外热像仪的快照速度或“时间常数”一般为8-12ms。但这并不意味着传感器像素点以每8-12ms进行读取。一般的经验是：处理跃阶输入信号的一阶系统达到稳定状态所需的时间是时间常数的5倍。

　　时间常数与思维实验

　　以下的思维实验有助于方便理解微测辐射热计的时间常数概念和其影响高速测温的方式。　　

　　假想有两桶水：一桶是装满已搅拌均匀的0 ?C冰水，另一桶是快速沸腾的100 ?C沸水。让微测辐射热计红外热像仪先对准冰水测温，然后马上对准沸水(100 ?C的跃阶输入)，记录这一过程的测温结果。　　

　　对于这一图形，我们使用7 ms作为热像减半时间的估值，所以我们可以很密切地追踪随5倍时间常数变化的过程。在经过1个减半时间常数，微测辐射热计报告温度达到50 ?C——或是沸水实际温度的一半。　　

　　2个减半时间常数后，温度达到75?C；3个减半时间常数后，温度达到87.5?C，以此类推，每经过一个半跃阶，就越接近100?C。

　　由0 ?C至100 ?C过渡的系统响应图 时间常数=10 ms，减半时间常数 = 7 ms

　　现在，假设整个跃阶的温度读数介于8-12 ms。从图表中可以看出，微测辐射热计读取的沸水温度在60 ?C附近，存在40 ?C的误差。热像仪仍会精确报告像素点的温度。问题是，像素点本身没有足够的时间达到所测量场景的温度值。它仍需要4倍多的时间常数才能达到稳定的温度。

　　真实数据

　　现在，我们从测量机械系统的角度，看看量子探测器的积分时间与微测辐射热计的时间常数之间的区别。第一个示例是一个打印过程，纸张在整个宽度和长度上都需要均匀加热到60?C。打印纸绕着显影辊输出的速率为50英寸/秒。

　　打印纸离开经过加热的显影辊的热图像

　　使用制冷型量子探测器红外热像仪与微测辐射热计红外热像仪捕获每边的数据。

　　光子计数量子红外探测器与微测辐射热计在测量热瞬时事件中的比较图

　　图中表明，两类热像仪所获得的数据明显不同。微测辐射热计热像仪获得的数据沿着长度方向表现出较大而相对稳定的突起。而量子探测器热像仪随着时间的推移，温度明显有所不同。这一变化表明经过加热的显影辊　　

　　组件在转动的第一周时，由于与纸张接触，温度会有所降低。双滞环控制器感应到降温后，会全幅开启加热器控制器。最后，当显影辊加热至预设温度后，控制器会关闭加热过程，然后再重复这一过程。这张图形足以帮助研发工程师确认两件事：检测产品需要一台光子计数热像仪；如需获得理想的设计目标，需要在加热的显影辊上加装PID控制系统。

　　再来看第2个例子，我们的目标是获取以40 mph速率转动的风扇叶片定格画面。正如我们预期的那样，非制冷型微测辐射热计热像仪的曝光速度不够快，整个显示的转动基本上是透明的。(见下图)

　　使用微测辐射热计红外热像仪(左图)和使用量子探测器红外热像仪(右图)记录以40 mph速率旋转的轮胎

　　为了实现卡尺和转子腐蚀区域的精确测量，需要注意制冷型热像仪要达到多快的积分时间才能获得叶片的定格画面。相反，因叶片转速过快，非制冷型红外热像仪无法记录温度值。由于被旋转叶片干扰，所测的温度将会偏低。

　　停格拍摄性能之外的优势

　　除了快照速度的优势之外，量子探测器红外热像仪优于微测辐射热计红外热像仪的方面还有：它能提供更高的分辨率和更快的记录帧速。

　　比如，FLIR X6900sc可以以每秒1000帧的速率记录640 x 512全帧图像。而最新的微测辐射热计红外热像仪只能提供640 x 480的分辨率，分辨率的全帧速度也只有30 fps。

　　不过，微测辐射热计红外热像仪采用非制冷型方式，携带方便、支持手持使用。所以，这在许多应用中也是一大优势。X6900sc和类似的制冷型红外热像仪虽然无法方便携带，但具有远程同步和触发等功能。

　为测量任务选择正确的工具

　　如大家所见，为作业选择正确的热探测器十分重要。采用传统的测温方式并不能用于测量快速移动或越来越小设备的温度，也不能提供足够的信息说明产品受到的热变化程度。红外热像仪能够在每一张图像中捕捉成百上千个准确的非接触测温值，但如何选择适合您应用的正确探测器至关重要。

　　FLIR提供种类全面的制冷型和非制冷型红外热像仪产品，全面满足您的应用所需

　　如果选择的探测器响应时间较慢，然后又使用高帧频来获取读数，那么得到的数据必定不甚理想。一般而言，微测辐射热计的帧频最高可达50帧/秒。当对快速热瞬变事件检测或对帧频有一定要求时，最佳选择通常是性能较高的制冷型量子探测器热像仪。