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技術(shù)文章

點(diǎn)溫儀與熱成像技術(shù)性能全對(duì)比

點(diǎn)擊次數(shù):1444 發(fā)布時(shí)間:2016-8-11

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

●點(diǎn)溫儀只顯示數(shù)字,紅外熱像儀可生成圖像。 

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

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

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點(diǎn)溫儀通常又稱(chēng)為點(diǎn)溫木倉(cāng)或紅外測(cè)溫儀。因其工作原理與紅外測(cè)溫儀相同,所以,可認(rèn)為是只有一個(gè)像素點(diǎn)的紅外熱像儀。此工具可以完成多項(xiàng)任務(wù),但由于只能測(cè)量單個(gè)點(diǎn)的溫度,操作人員會(huì)錯(cuò)失很多關(guān)鍵信息,無(wú)法注意某些即將發(fā)生故障,且亟需修理的高溫關(guān)鍵組件。 

同時(shí)使用成千上萬(wàn)個(gè)點(diǎn)溫儀 

類(lèi)似點(diǎn)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(shí)顯示成千上萬(wàn)個(gè)溫度讀數(shù),每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)溫度讀數(shù)。 

一部紅外熱像儀相當(dāng)于成千上萬(wàn)臺(tái)點(diǎn)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(gè)溫度讀數(shù),F(xiàn)LIR T1050sc,作為工業(yè)研發(fā)/科學(xué)應(yīng)用的一款熱像儀,其分辨率為1024 x 768,一次性可獲得786,432個(gè)溫度讀數(shù)。 

既省時(shí)又能探測(cè)熱量 

熱像儀不僅能測(cè)量成千上萬(wàn)個(gè)點(diǎn)的溫度,而且能將溫度讀數(shù)轉(zhuǎn)化為熱圖像。生成的熱圖像可全面反映待檢設(shè)備的整體狀況,操作人員可立即發(fā)現(xiàn)點(diǎn)溫儀不易發(fā)現(xiàn)的細(xì)微熱點(diǎn)。 

此外,熱像儀還能節(jié)省大量時(shí)間,畢竟使用點(diǎn)溫儀測(cè)量安裝有大批組件的大面積區(qū)域費(fèi)時(shí)又費(fèi)力,因?yàn)樾枰獑为?dú)掃描每個(gè)部件。 

熱像儀可用于檢查印刷線路板的散熱問(wèn)題,完成質(zhì)檢或檢查汽車(chē)行業(yè)的熱效應(yīng),或者在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行失誤分析。

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為使用點(diǎn)溫儀測(cè)量物體的溫度,目標(biāo)物體需要*覆蓋光斑點(diǎn)。這限制了測(cè)溫的距離。 

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

點(diǎn)溫儀的光斑尺寸是指設(shè)備能夠測(cè)量物體的zui小區(qū)域。這表示待測(cè)溫的物體(又稱(chēng)“目標(biāo)”)需要覆蓋整個(gè)光斑點(diǎn)。目標(biāo)發(fā)射的紅外輻射通過(guò)點(diǎn)溫儀的光學(xué)鏡頭,投射到探測(cè)器上。如果目標(biāo)小于光斑點(diǎn),探測(cè)器可能會(huì)檢測(cè)到目標(biāo)物體周?chē)妮椛洹4藭r(shí),點(diǎn)溫儀讀取的不單是目標(biāo)的溫度,而是目標(biāo)與其周?chē)h(huán)境的綜合溫度。 

根據(jù)光學(xué)鏡頭的屬性,點(diǎn)溫儀離測(cè)量目標(biāo)越遠(yuǎn),光斑點(diǎn)會(huì)越大。同理,目標(biāo)越小,為了測(cè)量其溫度,點(diǎn)溫儀應(yīng)越靠近測(cè)量目標(biāo)。因此,注意光斑大小至關(guān)重要,確保測(cè)量點(diǎn)離目標(biāo)足夠近,以覆蓋整個(gè)光斑,如果能再稍近一點(diǎn),形成一定的安全邊界,效果會(huì)更佳。

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例如,如果點(diǎn)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(jìn)行測(cè)量。直徑為4cm光斑的溫度可在120cm處測(cè)量(1.2m)。大多數(shù)點(diǎn)溫儀的SSR介于1:5至1:50之間,換言之,大多數(shù)點(diǎn)溫儀可于5-50cm處測(cè)量直徑為1cm目標(biāo)的溫度。 

紅外熱像儀與點(diǎn)溫儀相似,其紅外輻射被投射至探測(cè)器矩陣上,圖像上的每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)溫值。熱像儀生產(chǎn)商在描述其產(chǎn)品空間分辨率時(shí),通常不會(huì)明確指出SSR值,而是使用空間分辨率(IFOV)。IFOV是指熱像儀探測(cè)器陣列單個(gè)像元的視場(chǎng)角。 

理論上,IFOV直接確定了熱像儀的光斑比。由目標(biāo)發(fā)射的紅外輻射經(jīng)過(guò)光學(xué)鏡頭,然后投射至探測(cè)器時(shí),所投射的紅外輻射至少應(yīng)*覆蓋一個(gè)探測(cè)器的像元,其對(duì)應(yīng)熱圖像的一個(gè)像素點(diǎn)。因此,理論而言,覆蓋熱圖像的一個(gè)像素點(diǎn)應(yīng)足以確保正確的測(cè)溫值。 

IFOV通常以毫弧度表示(1弧度的千分之一)。弧度表示弧長(zhǎng)與半徑之比。1弧度在數(shù)學(xué)意義上表示圓弧長(zhǎng)度等于圓的半徑時(shí)形成的角度。由于圓的周長(zhǎng)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(cè)量某個(gè)目標(biāo)的溫度時(shí),我們假定與目標(biāo)的距離等于圓的半徑,同時(shí)設(shè)想目標(biāo)相當(dāng)平整,由于單個(gè)探測(cè)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。

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在理想情況下,投射目標(biāo)至少應(yīng)覆蓋一個(gè)像素點(diǎn)。為了確保讀數(shù),解釋投射時(shí)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(biāo)尺寸的單位以厘米(cm)表示,IFOV以毫弧度(mrad)表示。當(dāng)距離為100cm,IFOV為1 mrad時(shí),光斑尺寸為0.1 cm。如果0.1 cm的光斑尺寸可在100cm處測(cè)得,那么1 cm的光斑尺寸可在1000cm處測(cè)得,表示:距離系數(shù)比為1:1000。 

如果我們將上述計(jì)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(guān)于X的公式如下

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式中IFOV以毫弧度(mrad)表示。 

理想與實(shí)際光學(xué)鏡頭 

使用上述公式可計(jì)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(cè)量直徑為1 cm的物體。將紅外輻射投射至探測(cè)器的鏡頭會(huì)導(dǎo)致色散與其它光學(xué)反常現(xiàn)象,無(wú)法確保目標(biāo)能投射到單個(gè)探測(cè)器像元上。 

投射的紅外輻射同樣也有可能來(lái)自鄰近的探測(cè)器像元。換言之:目標(biāo)周?chē)谋砻鏈囟瓤赡軙?huì)影響溫度讀數(shù)。 

如點(diǎn)溫儀一樣,目標(biāo)不僅應(yīng)*覆蓋光斑點(diǎn),而且還應(yīng)覆蓋光斑點(diǎn)附近的安全邊界,當(dāng)使用紅外探測(cè)器熱像儀測(cè)量溫度時(shí),建議使用安全邊界。安全邊界由測(cè)量視場(chǎng)角(MFOV)獲得。MFOV描述了熱像儀的真實(shí)測(cè)量光斑尺寸,換言之,即:獲取正確讀數(shù)的zui小測(cè)量區(qū)域。 

MFOV通常由許多IFOV表示(單個(gè)像素點(diǎn)的視場(chǎng)角)。紅外探測(cè)器熱像儀的常用慣例是:考慮到光學(xué)反常現(xiàn)象,目標(biāo)至少需覆蓋3倍IFOV的區(qū)域。這表示:在一幅熱圖像中,目標(biāo)不僅要覆蓋一個(gè)像素點(diǎn),而且還應(yīng)覆蓋其周?chē)南袼攸c(diǎn),在理想條件下,像素點(diǎn)應(yīng)該足以完成測(cè)量需求。 

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

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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(cè)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(shí)的SSR可能會(huì)更高,但是使用這些保守的SSR值,可確保溫度讀數(shù)的精度。

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源自物體的紅外能(A)經(jīng)過(guò)光學(xué)鏡頭(B)聚焦,投射至紅外探測(cè)器(C)上。探測(cè)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(cè)器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化可以在取景器、標(biāo)準(zhǔn)視頻顯示器或LCD顯示屏上讀取的圖像(E)。 

點(diǎn)溫儀的SSR值通常介于1:5至1:50之間。大多數(shù)實(shí)惠型號(hào)的SSR值介于1:5至1:10之間,功能越*,價(jià)格越高,SSR值z(mì)ui高可為1:40或甚至1:50。注意:提到光學(xué)鏡頭時(shí),點(diǎn)溫儀與紅外熱像儀存在相同的問(wèn)題。在比較點(diǎn)溫儀的技術(shù)規(guī)格時(shí),必須清楚SSR值是指理論值,還是對(duì)鏡頭的補(bǔ)償值。 

在遠(yuǎn)距離處檢測(cè)溫度 

即便是考慮到了理想與實(shí)際光學(xué)鏡頭的系數(shù),在測(cè)量距離上,熱像儀與點(diǎn)溫儀也存在相當(dāng)大的差異。當(dāng)測(cè)量目標(biāo)為1 cm時(shí),大多數(shù)點(diǎn)溫儀的距離為10-50 cm,很難再高于這一范圍。

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特寫(xiě)與顯微鏡頭可拍攝詳細(xì)的圖像細(xì)節(jié),便于測(cè)量微小的熱點(diǎn)。對(duì)于點(diǎn)溫儀而言,這是困難的。zui上端的圖像采用4倍特寫(xiě)鏡頭拍攝,底端的圖像采用15μm鏡頭拍攝。 

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

使用標(biāo)準(zhǔn)鏡頭可對(duì)這些值進(jìn)行計(jì)算。許多熱像儀均配有可更換鏡頭。當(dāng)使用不同的鏡頭時(shí),IFOV也會(huì)隨之改變,反過(guò)來(lái)會(huì)影響光斑比。對(duì)于FLIR T1050sc紅外熱像儀,F(xiàn)LIR不僅提供28°標(biāo)準(zhǔn)鏡頭,還提供12°遠(yuǎn)焦鏡頭。配備專(zhuān)門(mén)為遠(yuǎn)距離觀察設(shè)計(jì)的鏡頭后,其光斑比會(huì)更大。若安裝12°的遠(yuǎn)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(tái)熱像儀可在17m距離處測(cè)量相同大小尺寸的目標(biāo)。 

判斷是否需要進(jìn)一步靠近目標(biāo) 

以SSR值來(lái)看,紅外熱像儀的性能明顯高于點(diǎn)溫儀,但是SSR值僅指能夠測(cè)量溫度的距離。在實(shí)際檢測(cè)中,熱點(diǎn)并非需要的溫度讀數(shù)。在熱圖像中,即便目標(biāo)只覆蓋一個(gè)像素點(diǎn)時(shí),熱點(diǎn)仍舊清晰可辨。溫度讀數(shù)可能并非,但能用于檢測(cè)到熱點(diǎn),操作人員可進(jìn)一步靠近目標(biāo),確保目標(biāo)在熱圖像中能覆蓋更多的像素點(diǎn),保證溫度讀數(shù)準(zhǔn)確無(wú)誤。 

在測(cè)量微小目標(biāo)時(shí),點(diǎn)溫儀也面臨著巨大挑戰(zhàn)。這項(xiàng)功能在電子元件檢測(cè)中變得日趨重要。由于設(shè)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(nèi),尋找散熱和識(shí)別熱點(diǎn)的方法是一項(xiàng)非常實(shí)際的問(wèn)題。點(diǎn)溫儀能有效檢測(cè)和測(cè)量溫度,但是其光斑尺寸太大。然而,配備有特寫(xiě)鏡頭的熱像儀每像素光斑尺寸的焦距可調(diào)低至5μm,便于工程師和技術(shù)員對(duì)細(xì)微的目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。 

消除猜測(cè)、眼見(jiàn)為實(shí) 

點(diǎn)溫儀只能顯示一個(gè)讀數(shù),且讀數(shù)可能并不,容易讓人產(chǎn)生猜測(cè)。紅外熱像儀能顯示熱量,不僅能夠?qū)崿F(xiàn)溫度測(cè)量,而且還能顯示溫度分布的瞬態(tài)圖像。可見(jiàn)光信息與溫度測(cè)量的結(jié)合有助于快速、準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)。即刻升級(jí)為FLIR Systems的紅外熱像儀,以更快速、更便捷的方式發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,以消除各種因不確定性而產(chǎn)生的猜測(cè)。(end)

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