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技術(shù)文章

點溫儀與熱成像技術(shù)性能全對比

點擊次數(shù):1437 發(fā)布時間:2016-8-11

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(zhuǎn)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*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。

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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(wù),但由于只能測量單個點的溫度,操作人員會錯失很多關(guān)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(guān)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(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(zhì)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。

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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(shè)備能夠測量物體的zui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(guān)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。

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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(chǎn)商在描述其產(chǎn)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)。弧度表示弧長與半徑之比。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(shè)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。

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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(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。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常現(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zui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:

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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。

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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(zhuǎn)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zui高可為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(shù)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。

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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。zui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(shè)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,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(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(diào)低至5μm,便于工程師和技術(shù)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(chǎn)生猜測。紅外熱像儀能顯示熱量,不僅能夠?qū)崿F(xiàn)溫度測量,而且還能顯示溫度分布的瞬態(tài)圖像。可見光信息與溫度測量的結(jié)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(chǎn)生的猜測。(end)

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