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紅外熱像儀具的幾大優(yōu)勢和性能研究分析

閱讀:1217        發(fā)布時間:2020-9-9

 

紅外熱像儀適用于*所有企業(yè)的非接觸式測溫項目,。點溫儀是工業(yè)應用中另一款廣泛使用的非接觸式測溫工具,,其工作原理與熱像儀相同:通過檢測紅外輻射,,然后將其轉化為溫度讀數(shù),。然而,,與點溫儀相比,紅外熱像儀具有以下幾大優(yōu)勢:

●點溫儀只顯示數(shù)字,,紅外熱像儀可生成圖像,。

●點溫儀只可讀取單個點的溫度,紅外熱像儀顯示熱圖像中所有像素點的溫度讀數(shù),。

●由于配備有*的光學鏡頭,,紅外熱像儀能在更遠距離處檢測溫度,有助于檢查大面積區(qū)域,。

紅外熱像儀具的幾大優(yōu)勢和性能研究分析

點溫儀通常又稱為點溫木倉或紅外測溫儀,。因其工作原理與紅外測溫儀相同,所以,,可認為是只有一個像素點的紅外熱像儀,。此工具可以完成多項任務,但由于只能測量單個點的溫度,,操作人員會錯失很多關鍵信息,,無法注意某些即將發(fā)生故障,且亟需修理的高溫關鍵組件,。

同時使用成千上萬個點溫儀

類似點溫儀,紅外熱像儀同樣能提供非接觸式溫度讀數(shù),。不同之處在于,,熱像儀一次能同時顯示成千上萬個溫度讀數(shù),每個像素點對應一個溫度讀數(shù),。

一部紅外熱像儀相當于成千上萬臺點溫儀,。

FLIR E40sc紅外熱像儀分辨率為160 x 120像素,一次能讀取19200個溫度讀數(shù),,F(xiàn)LIR T1050sc,,作為工業(yè)研發(fā)/科學應用的一款熱像儀,其分辨率為1024 x 768,一次性可獲得786,,432個溫度讀數(shù),。

既省時又能探測熱量

熱像儀不僅能測量成千上萬個點的溫度,而且能將溫度讀數(shù)轉化為熱圖像,。生成的熱圖像可全面反映待檢設備的整體狀況,,操作人員可立即發(fā)現(xiàn)點溫儀不易發(fā)現(xiàn)的細微熱點。

此外,,熱像儀還能節(jié)省大量時間,,畢竟使用點溫儀測量安裝有大批組件的大面積區(qū)域費時又費力,因為需要單獨掃描每個部件,。

熱像儀可用于檢查印刷線路板的散熱問題,,完成質檢或檢查汽車行業(yè)的熱效應,或者在實驗室進行失誤分析,。

為使用點溫儀測量物體的溫度,,目標物體需要*覆蓋光斑點。這限制了測溫的距離,。

與點溫儀相比,,紅外熱像儀的另一優(yōu)勢在于:能夠在更遠距離處測量物體的溫度。能夠測量給定尺寸目標的距離稱之為“距離系數(shù)比”(D:S)或“光斑比”(SSR),。但是這一比值來自何處,,又代表何種含義?

點溫儀的光斑尺寸是指設備能夠測量物體的小區(qū)域,。這表示待測溫的物體(又稱“目標”)需要覆蓋整個光斑點,。目標發(fā)射的紅外輻射通過點溫儀的光學鏡頭,投射到探測器上,。如果目標小于光斑點,,探測器可能會檢測到目標物體周圍的輻射。此時,,點溫儀讀取的不單是目標的溫度,,而是目標與其周圍環(huán)境的綜合溫度。

根據(jù)光學鏡頭的屬性,,點溫儀離測量目標越遠,,光斑點會越大。同理,,目標越小,,為了測量其溫度,點溫儀應越靠近測量目標,。因此,,注意光斑大小至關重要,,確保測量點離目標足夠近,以覆蓋整個光斑,,如果能再稍近一點,,形成一定的安全邊界,效果會更佳,。

例如,,如果點溫儀的SSR為1:30,表示直徑為1cm光斑的溫度可在30cm距離處進行測量,。直徑為4cm光斑的溫度可在120cm處測量(1.2m),。大多數(shù)點溫儀的SSR介于1:5至1:50之間,換言之,,大多數(shù)點溫儀可于5-50cm處測量直徑為1cm目標的溫度,。

紅外熱像儀與點溫儀相似,其紅外輻射被投射至探測器矩陣上,,圖像上的每個像素點對應一個溫值,。熱像儀生產商在描述其產品空間分辨率時,通常不會明確指出SSR值,,而是使用空間分辨率(IFOV),。IFOV是指熱像儀探測器陣列單個像元的視場角。

理論上,,IFOV直接確定了熱像儀的光斑比,。由目標發(fā)射的紅外輻射經(jīng)過光學鏡頭,然后投射至探測器時,,所投射的紅外輻射至少應*覆蓋一個探測器的像元,,其對應熱圖像的一個像素點。因此,,理論而言,,覆蓋熱圖像的一個像素點應足以確保正確的測溫值。

IFOV通常以毫弧度表示(1弧度的千分之一),?;《缺硎净¢L與半徑之比。1弧度在數(shù)學意義上表示圓弧長度等于圓的半徑時形成的角度,。由于圓的周長C=2πr(r為半徑),,1弧度等于圓周的1/(2π),或近似57.296°,,即1毫弧度0.057°。

使用熱像儀測量某個目標的溫度時,,我們假定與目標的距離等于圓的半徑,,同時設想目標相當平整,,由于單個探測器像元的視角較小,可以假定,,角度的正切值近似等于其弧度值,。

在理想情況下,投射目標至少應覆蓋一個像素點,。為了確保讀數(shù),,解釋投射時的光色散,建議覆蓋面積略大的區(qū)域,。

在此公式中,,光斑尺寸與目標尺寸的單位以厘米(cm)表示,IFOV以毫弧度(mrad)表示,。當距離為100cm,,IFOV為1 mrad時,光斑尺寸為0.1 cm,。如果0.1 cm的光斑尺寸可在100cm處測得,,那么1 cm的光斑尺寸可在1000cm處測得,表示:距離系數(shù)比為1:1000,。

如果我們將上述計算代入公式,,將SSR表示為1:X的形式,用1表示光斑尺寸,,X代表距離,,那么,關于X的公式如下

式中IFOV以毫弧度(mrad)表示,。

理想與實際光學鏡頭

使用上述公式可計算IFOV為1.4 mrad的熱像儀,,理論SSR為1:714,因此,,理論上可在7m距離處測量直徑為1 cm的物體,。然而,如前所述,,理論值并不代表真實情況,,而且還未考慮現(xiàn)實中所使用的光學鏡頭并非完美。將紅外輻射投射至探測器的鏡頭會導致色散與其它光學反?,F(xiàn)象,,無法確保目標能投射到單個探測器像元上。

投射的紅外輻射同樣也有可能來自鄰近的探測器像元,。換言之:目標周圍的表面溫度可能會影響溫度讀數(shù),。

如點溫儀一樣,目標不僅應*覆蓋光斑點,,而且還應覆蓋光斑點附近的安全邊界,,當使用紅外探測器熱像儀測量溫度時,,建議使用安全邊界。安全邊界由測量視場角(MFOV)獲得,。MFOV描述了熱像儀的真實測量光斑尺寸,,換言之,即:獲取正確讀數(shù)的小測量區(qū)域,。

MFOV通常由許多IFOV表示(單個像素點的視場角),。紅外探測器熱像儀的常用慣例是:考慮到光學反常現(xiàn)象,,目標至少需覆蓋3倍IFOV的區(qū)域,。這表示:在一幅熱圖像中,目標不僅要覆蓋一個像素點,,而且還應覆蓋其周圍的像素點,,在理想條件下,像素點應該足以完成測量需求,。

使用本慣例時,,確定光斑比的公式可考慮真實光學鏡頭的系數(shù)。為更接近真實值,,可以使用3 倍IFOV,,而不是1倍 IFOV,其公式如下:

式中IFOV以毫弧度(mrad)表示,。

基于這一公式,,IFOV為1.4mrad的熱像儀SSR為1:238,表示可在2.4m處測量直徑為1 cm的物體,。由于存在安全邊界,,理論值可能趨于保守。真實的SSR可能會更高,,但是使用這些保守的SSR值,,可確保溫度讀數(shù)的精度。

源自物體的紅外能(A)經(jīng)過光學鏡頭(B)聚焦,,投射至紅外探測器(C)上,。探測器將信息發(fā)送至傳感器電子元件(D)上,用作圖像處理,。電子元件將源自探測器的數(shù)據(jù)轉化可以在取景器,、標準視頻顯示器或LCD顯示屏上讀取的圖像(E)。

點溫儀的SSR值通常介于1:5至1:50之間,。大多數(shù)實惠型號的SSR值介于1:5至1:10之間,,功能越*,價格越高,,SSR值可為1:40或甚至1:50,。注意:提到光學鏡頭時,,點溫儀與紅外熱像儀存在相同的問題。在比較點溫儀的技術規(guī)格時,,必須清楚SSR值是指理論值,還是對鏡頭的補償值,。

在遠距離處檢測溫度

即便是考慮到了理想與實際光學鏡頭的系數(shù),,在測量距離上,熱像儀與點溫儀也存在相當大的差異,。當測量目標為1 cm時,,大多數(shù)點溫儀的距離為10-50 cm,很難再高于這一范圍,。

特寫與顯微鏡頭可拍攝詳細的圖像細節(jié),,便于測量微小的熱點。對于點溫儀而言,,這是困難的,。上端的圖像采用4倍特寫鏡頭拍攝,底端的圖像采用15μm鏡頭拍攝,。

對于同樣尺寸的目標,,熱像儀可在數(shù)米遠的距離測量其目標。即便IFOV為2.72 mrad的FLIR E40紅外熱像儀仍能在120cm處的距離測量測量尺寸為1 cm的溫度點,。FLIR T1050sc作為FLIR的一款工業(yè)應用紅外熱像儀,,采用標準的28°鏡頭,可在7m距離處測量同樣尺寸大小的目標,。

使用標準鏡頭可對這些值進行計算,。許多高級熱像儀均配有可更換鏡頭。當使用不同的鏡頭時,,IFOV也會隨之改變,,反過來會影響光斑比。對于FLIR T1050sc紅外熱像儀,,F(xiàn)LIR不僅提供28°標準鏡頭,,還提供12°遠焦鏡頭。配備專門為遠距離觀察設計的鏡頭后,,其光斑比會更大,。若安裝12°的遠焦鏡頭,F(xiàn)LIR T1050sc紅外熱像儀的IFOV為0.20毫弧度,,利用這一鏡頭,,同一臺熱像儀可在17m距離處測量相同大小尺寸的目標。

判斷是否需要進一步靠近目標

以SSR值來看,,紅外熱像儀的性能明顯高于點溫儀,,但是SSR值僅指能夠測量溫度的距離,。在實際檢測中,熱點并非需要的溫度讀數(shù),。在熱圖像中,,即便目標只覆蓋一個像素點時,熱點仍舊清晰可辨,。溫度讀數(shù)可能并非完美,,但能用于檢測到熱點,操作人員可進一步靠近目標,,確保目標在熱圖像中能覆蓋更多的像素點,,保證溫度讀數(shù)準確無誤。

在測量微小目標時,,點溫儀也面臨著巨大挑戰(zhàn),。這項功能在電子元件檢測中變得日趨重要。由于設備的處理速度持續(xù)加快,,而且需要安裝在更小體積的空間內,,尋找散熱和識別熱點的方法是一項非常實際的問題。點溫儀能有效檢測和測量溫度,,但是其光斑尺寸太大,。然而,配備有特寫鏡頭的熱像儀每像素光斑尺寸的焦距可調低至5μm,,便于工程師和技術員對細微的目標進行測量,。

消除猜測、眼見為實

點溫儀只能顯示一個讀數(shù),,且讀數(shù)可能并不,,容易讓人產生猜測。紅外熱像儀能顯示熱量,,不僅能夠實現(xiàn)溫度測量,,而且還能顯示溫度分布的瞬態(tài)圖像??梢姽庑畔⑴c溫度測量的完美結合有助于快速,、準確發(fā)現(xiàn)故障點。即刻升級為FLIR Systems的紅外熱像儀,,以更快速,、更便捷的方式發(fā)現(xiàn)問題,以消除各種因不確定性而產生的猜測,。

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