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小菲课堂|精准测温高速运转的事物,你应该怎样选择热像仪?

发布日期:2020年05月20日   浏览次数:4次   编辑:深圳连讯

相信很多菲粉们都知道,使用热电偶或点温仪测得的热量并不能完全反映设备的热属性。传统的测量方法无法提供能全面描绘高速热应用的分辨率与速度。但是,红外热像仪能捕获数千个高速热测量值,精确显示热源与扩散趋势。选择合适的红外热像仪,您可以搜集到可靠的测量值、生成具有说服力的报告,为研究工作提供可靠的数据。

01

红外热像仪的类型

目前,红外热像仪大体可分为两类:一类是高性能制冷型光子计数红外热像仪,另一类是经济实惠的非制冷型微测热辐射计红外热像仪。

 

现今市面上的大多数制冷型热像仪采用锑化铟(InSb)探测器。制冷型红外热像仪通过对特定波段(通常为介于3-5μm的中波红外波段)内能量的光子计数进行工作。光子撞击像素,转化成电子并储存在积分电容器中。像素点以电子的方式,通过断开或短路积分电容器来控制快门。根据不同的热像仪型号,FLIR锑化铟热像仪扫描-20至350˚C物体的积分时间为6ms-50μs。这些极短的积分时间为定格画面、精确测量每个快速变化的瞬间提供了可能性。

 

FLIR制冷型锑化铟热像仪捕获的“黄蜂”战斗机的定格图像

 

一个传统热电偶的热图像

与制冷型热像仪相比,非制冷型热像仪成本更低、质量更轻、功耗更小。非制冷热像仪像素点采用特定材料制成,其电阻可随温度的变化发生明显变化。常见材料为:氧化钒或非晶硅。当热能聚焦于像素点时,像素点会随之升温或冷却。因像素点的电阻随着温度的变化而变化,其大小可测量,能通过校准操作映射回目标温度。由于像素点有限定质量,因此它们有相应的热时间常数。现今基于微测辐射热计热像仪,其时间常数一般为8-12ms。但这并不意味着像素点能在8-12ms内立即响应,并提供精确结果!一般经验是:处理跃阶输入信号的一阶系统达到稳定状态的所需的时间是时间常数的5倍。

02

时间常数和思维实验

为了探讨微测辐射热计探测器的响应时间,我们来打一个有趣的比方,假想有两桶水:一桶是装满已搅拌均匀的0℃冰水,另一桶是100˚C快速沸腾的沸水。让微测辐射热计探测器先对准冰水,然后瞬间切换到沸水(100˚C的跃阶输入),记录这一过程的测温结果。如果我们将10ms的热时间常数转换成一半时间以便于计算,我们得到的值大约为7ms。

 

从0°C过渡到100°C的系统响应,tau=10ms,一半时间=7ms

 

我们来看微测辐射热计探测器红的报告结果,在7ms(即一个减半时间)时温度为50˚C,2个减半时间时温度为75˚C,3减个半时间时温度为87。5˚C等。如果我们尝试以100帧/秒或在10ms时读出温度,结果会怎样?热像仪的读数为63˚C,产生了37˚C的误差。热像仪会精确报告像素点的温度,但是像素点尚未达到正检测的场景的温度。一般说来,如果将非制冷型微测热辐射计的帧频设置为30帧/秒以上时,结果毫无意义!

03

真实数据

案例一:

我们来讨论一下打印过程,此过程需要将打印纸加热至60˚C。打印纸绕着显影辊输出的速率为127厘米/秒,且在横向、纵向温度必须均匀。

 

打印纸离开加热辊的热图像

 

使用制冷型光子计数热像仪与非制冷型微测热辐射计热像仪捕捉每边的数据。

 

锑化铟探测器与非制冷型微测辐射热计探测器在测量热瞬时事件中的性能对比

 

上图表明,两类热像仪所获得的数据明显不同。微测热辐射计热像仪获得的数据沿着长度方向表现出大而相对稳定的突起。而光子计数热像仪的数据随着时间的推移,温度明显有所不同。制冷型热像仪表明,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。继电器式控制器感应到降温后,会全幅开启加热控制器。最后,当显影辊加热至预设温度后,控制器会关闭加热过程,由此反复进行。一幅图像足以帮助研发工程师确认两项事宜: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系统,而不是简单的继电器式控制器。

案例二:

现在来看第2个例子,我们观察快速旋转风扇的叶片,为了精确测量叶片的温度,我们尝试获得叶片的定格画面。如你所料,如果没有足够快的曝光时间,拍摄的图像将会很模糊。实际上,为了获得真实的温度读数,我们又不能让叶片停止转动。

 

为了精确测量叶片表面与加热线圈的温度,注意制冷型热像仪的快速积分时间如何获得叶片的定格画面。与之相反的是,因叶片转速过快,非制冷型红外热像仪无法记录叶片表面与加热线圈的温度。而且线圈被旋转叶片所遮挡,所测的温度将会偏低。

案例三:

 

光子计数探测器拍摄的直升机螺旋桨的定格画面

 

非制冷型微测辐射热计探测器拍摄的直升机螺旋桨的模糊画面

为了进一步说明问题,来看最后一例:测量直升机螺旋桨的热效应。螺旋桨与空气之间产生的摩擦会沿着螺旋桨形成一定的热梯度,越靠近叶片尖端,温度越高。使用非制冷微测热辐射计热像仪,无法有效的定格目标,不能准确地描述和测量真实的温度。

04

选择最适合的工具

如你所见,在工作中选择正确的热像仪十分重要。如果选择的热像仪响应时间较慢,然后又使用高帧频来获取读数,那么得到的数据可能是无效的。一般而言,非制冷红外热像仪的帧频最高可达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光子计数热像仪。然而,当不需要高帧频时,非制冷型红外探测器热像仪自然是实惠之选。

 

FLIR A6700sc

 

为满足客户的热成像需求,FLIR提供各种制冷型锑化铟和碲镉汞热像仪,如:A6700sc,A6750sc,X6520/30/70sc,X6900sc,X8500sc,以及系列广泛的非制冷型微测辐射热计热像仪,如:T650sc。

 


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