如何才能測(cè)量高速移動(dòng)或溫度驟變物體的熱量?傳統(tǒng)的測(cè)溫工具，比如熱電偶或點(diǎn)溫儀，無(wú)法提供能完全顯示高速熱應(yīng)用特征所需的分辨率或速度。這些工具在用于對(duì)移動(dòng)中物體進(jìn)行測(cè)溫時(shí)并不實(shí)用，至少來(lái)說(shuō)，并不能完整提供物體的熱屬性信息。
相比之下，紅外熱像儀可以測(cè)量整個(gè)場(chǎng)景中的溫度，捕捉每一像素的熱數(shù)據(jù)。紅外熱像儀能夠?qū)崿F(xiàn)快速、準(zhǔn)確、非接觸式的溫度測(cè)量。通過(guò)為相關(guān)應(yīng)用選擇正確的熱像儀類型，你便能夠收集到可靠的高速測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，生成定格的熱圖像，并給出具有說(shuō)服力的研究數(shù)據(jù)。
點(diǎn)測(cè)溫與區(qū)域測(cè)溫
測(cè)量一個(gè)區(qū)域內(nèi)的溫度，而非逐個(gè)點(diǎn)、逐個(gè)點(diǎn)的進(jìn)行測(cè)溫，可以幫助研究人員和工程師對(duì)其正在測(cè)試的系統(tǒng)做出更好的知情決策。
由于熱電偶和熱敏電阻都需要通過(guò)接觸才能進(jìn)行測(cè)溫，因此它們只能一次提供一個(gè)位置的溫度數(shù)據(jù)。而且，小的測(cè)試目標(biāo)一次只能安裝少數(shù)熱電偶。貼在其上，實(shí)際上熱電偶會(huì)散熱，而可能改變溫度讀數(shù)。
傳統(tǒng)熱電偶的熱圖像
非接觸式的測(cè)溫可能采用點(diǎn)溫儀(也稱為紅外測(cè)溫儀)，但如同熱電偶一樣，點(diǎn)溫儀只能測(cè)量單點(diǎn)的溫度。
紅外熱像儀能對(duì)絕對(duì)零度以上物體發(fā)出的熱輻射生成熱圖像。通過(guò)提供每一個(gè)像素的溫度測(cè)量值，研究人員可以以非接觸的方式對(duì)某一場(chǎng)景進(jìn)行觀察和測(cè)溫。由于紅外熱像儀提供的數(shù)據(jù)比熱電偶或點(diǎn)溫儀要多，而且可以追蹤隨時(shí)間推移所發(fā)生的溫度變化，所以它們非常適合用于研究和工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目。
制冷型與非制冷型紅外探測(cè)器
紅外探測(cè)器大體可分為兩類：一類是熱探測(cè)器，另一類是量子探測(cè)器。
熱探測(cè)器，比如微測(cè)輻射熱計(jì)，會(huì)對(duì)射入的輻射能產(chǎn)生反應(yīng)，加熱像素，通過(guò)電阻的變化來(lái)反映出溫度的變化。此類紅外熱像儀不需要制冷，且成本比量子探測(cè)器紅外熱像儀低。
制冷型量子探測(cè)器采用銻化銦(InSb)、銦鎵砷(InGaAs)或應(yīng)變超晶格制成。這類探測(cè)器為光電探測(cè)器，即光子撞擊像素點(diǎn)，轉(zhuǎn)化為可存儲(chǔ)于積分電容器的電子。像素采用的電子快門，通過(guò)斷開或短路積分電容器來(lái)控制快門。
RPM Energy Associates總裁羅伯特·曼丁博士解釋稱：“量子探測(cè)器在本質(zhì)上比微測(cè)輻射熱計(jì)的速度要快，主要原因是微測(cè)輻射熱計(jì)必須要改變溫度。”
與改變像素溫度相反的是，“量子探測(cè)器是將能量加到半導(dǎo)體中的電子里，提至高于進(jìn)入導(dǎo)電帶的探測(cè)器能量帶隙，”曼丁博士表示，“根據(jù)探測(cè)器的不同設(shè)計(jì)，可以測(cè)量為探測(cè)器電壓或電流的變化。這一變化可能發(fā)生得非常快。”
銻化銦(InSb)探測(cè)器熱像儀，比如FLIR X6900sc，在測(cè)量-20 ?C至350 ?C之間的物體溫度時(shí)，其典型的積分時(shí)間可能低至μs。如此短的“快照速度”可以定格畫面，準(zhǔn)確測(cè)量非常快的瞬時(shí)變化。
FLIR銻化銦制冷型熱像儀拍攝的FA-18大黃蜂戰(zhàn)斗機(jī)的定格畫面
相反，非制冷型熱像儀，比如FLIR T1030sc，它的像素由隨溫度產(chǎn)生明顯電阻變化的材料組成。而且，每一個(gè)像素的溫度都會(huì)升高或降低。其電阻隨溫度的變化而變化，并可測(cè)量其數(shù)值，同時(shí)通過(guò)校準(zhǔn)流程映射至目標(biāo)溫度。
現(xiàn)今配備的微測(cè)輻射熱計(jì)紅外熱像儀的快照速度或“時(shí)間常數(shù)”一般為8-12ms。但這并不意味著傳感器像素點(diǎn)以每8-12ms進(jìn)行讀取。一般的經(jīng)驗(yàn)是：處理躍階輸入信號(hào)的一階系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間是時(shí)間常數(shù)的5倍。
時(shí)間常數(shù)與思維實(shí)驗(yàn)
以下的思維實(shí)驗(yàn)有助于方便理解微測(cè)輻射熱計(jì)的時(shí)間常數(shù)概念和其影響高速測(cè)溫的方式。
假想有兩桶水：一桶是裝滿已攪拌均勻的0 ?C冰水，另一桶是快速沸騰的100 ?C沸水。讓微測(cè)輻射熱計(jì)紅外熱像儀先對(duì)準(zhǔn)冰水測(cè)溫，然后馬上對(duì)準(zhǔn)沸水(100 ?C的躍階輸入)，記錄這一過(guò)程的測(cè)溫結(jié)果。
對(duì)于這一圖形，我們使用7 ms作為熱像減半時(shí)間的估值，所以我們可以很密切地追蹤隨5倍時(shí)間常數(shù)變化的過(guò)程。在經(jīng)過(guò)1個(gè)減半時(shí)間常數(shù)，微測(cè)輻射熱計(jì)報(bào)告溫度達(dá)到50 ?C——或是沸水實(shí)際溫度的一半。
2個(gè)減半時(shí)間常數(shù)后，溫度達(dá)到75?C;3個(gè)減半時(shí)間常數(shù)后，溫度達(dá)到87.5?C，以此類推，每經(jīng)過(guò)一個(gè)半躍階，就越接近100?C。
由0 ?C至100 ?C過(guò)渡的系統(tǒng)響應(yīng)圖
時(shí)間常數(shù)=10 ms，減半時(shí)間常數(shù) = 7 ms
現(xiàn)在，假設(shè)整個(gè)躍階的溫度讀數(shù)介于8-12 ms。從圖表中可以看出，微測(cè)輻射熱計(jì)讀取的沸水溫度在60 ?C附近，存在40 ?C的誤差。熱像儀仍會(huì)精確報(bào)告像素點(diǎn)的溫度。問題是，像素點(diǎn)本身沒有足夠的時(shí)間達(dá)到所測(cè)量場(chǎng)景的溫度值。它仍需要4倍多的時(shí)間常數(shù)才能達(dá)到穩(wěn)定的溫度。
真實(shí)數(shù)據(jù)
現(xiàn)在，我們從測(cè)量機(jī)械系統(tǒng)的角度，看看量子探測(cè)器的積分時(shí)間與微測(cè)輻射熱計(jì)的時(shí)間常數(shù)之間的區(qū)別。第一個(gè)示例是一個(gè)打印過(guò)程，紙張?jiān)谡麄€(gè)寬度和長(zhǎng)度上都需要均勻加熱到60?C。打印紙繞著顯影輥輸出的速率為50英寸/秒。
打印紙離開經(jīng)過(guò)加熱的顯影輥的熱圖像
使用制冷型量子探測(cè)器紅外熱像儀與微測(cè)輻射熱計(jì)紅外熱像儀捕獲每邊的數(shù)據(jù)。
光子計(jì)數(shù)量子紅外探測(cè)器與微測(cè)輻射熱計(jì)在測(cè)量熱瞬時(shí)事件中的比較圖
圖中表明，兩類熱像儀所獲得的數(shù)據(jù)明顯不同。微測(cè)輻射熱計(jì)熱像儀獲得的數(shù)據(jù)沿著長(zhǎng)度方向表現(xiàn)出較大而相對(duì)穩(wěn)定的突起。而量子探測(cè)器熱像儀隨著時(shí)間的推移，溫度明顯有所不同。這一變化表明經(jīng)過(guò)加熱的顯影輥
組件在轉(zhuǎn)動(dòng)的第一周時(shí)，由于與紙張接觸，溫度會(huì)有所降低。雙滯環(huán)控制器感應(yīng)到降溫后，會(huì)全幅開啟加熱器控制器。最后，當(dāng)顯影輥加熱至預(yù)設(shè)溫度后，控制器會(huì)關(guān)閉加熱過(guò)程，然后再重復(fù)這一過(guò)程。這張圖形足以幫助研發(fā)工程師確認(rèn)兩件事：檢測(cè)產(chǎn)品需要一臺(tái)光子計(jì)數(shù)熱像儀;如需獲得理想的設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要在加熱的顯影輥上加裝PID控制系統(tǒng)。
再來(lái)看第2個(gè)例子，我們的目標(biāo)是獲取以40 mph速率轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)扇葉片定格畫面。正如我們預(yù)期的那樣，非制冷型微測(cè)輻射熱計(jì)熱像儀的曝光速度不夠快，整個(gè)顯示的轉(zhuǎn)動(dòng)基本上是透明的。(見下圖)
使用微測(cè)輻射熱計(jì)紅外熱像儀(左圖)和使用量子探測(cè)器紅外熱像儀(右圖)記錄以40 mph速率旋轉(zhuǎn)的輪胎
為了實(shí)現(xiàn)卡尺和轉(zhuǎn)子腐蝕區(qū)域的精確測(cè)量，需要注意制冷型熱像儀要達(dá)到多快的積分時(shí)間才能獲得葉片的定格畫面。相反，因葉片轉(zhuǎn)速過(guò)快，非制冷型紅外熱像儀無(wú)法記錄溫度值。由于被旋轉(zhuǎn)葉片干擾，所測(cè)的溫度將會(huì)偏低。
停格拍攝性能之外的優(yōu)勢(shì)
除了快照速度的優(yōu)勢(shì)之外，量子探測(cè)器紅外熱像儀優(yōu)于微測(cè)輻射熱計(jì)紅外熱像儀的方面還有：它能提供更高的分辨率和更快的記錄幀速。
比如，F(xiàn)LIR X6900sc可以以每秒1000幀的速率記錄640 x 512全幀圖像。而最新的微測(cè)輻射熱計(jì)紅外熱像儀只能提供640 x 480的分辨率，分辨率的全幀速度也只有30 fps。
不過(guò)，微測(cè)輻射熱計(jì)紅外熱像儀采用非制冷型方式，攜帶方便、支持手持使用。所以，這在許多應(yīng)用中也是一大優(yōu)勢(shì)。X6900sc和類似的制冷型紅外熱像儀雖然無(wú)法方便攜帶，但具有遠(yuǎn)程同步和觸發(fā)等功能。
為測(cè)量任務(wù)選擇正確的工具
如大家所見，為作業(yè)選擇正確的熱探測(cè)器十分重要。采用傳統(tǒng)的測(cè)溫方式并不能用于測(cè)量快速移動(dòng)或越來(lái)越小設(shè)備的溫度，也不能提供足夠的信息說(shuō)明產(chǎn)品受到的熱變化程度。紅外熱像儀能夠在每一張圖像中捕捉成百上千個(gè)準(zhǔn)確的非接觸測(cè)溫值，但如何選擇適合您應(yīng)用的正確探測(cè)器至關(guān)重要。
FLIR提供種類全面的制冷型和非制冷型紅外熱像儀產(chǎn)品，全面滿足您的應(yīng)用所需
如果選擇的探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間較慢，然后又使用高幀頻來(lái)獲取讀數(shù)，那么得到的數(shù)據(jù)必定不甚理想。一般而言，微測(cè)輻射熱計(jì)的幀頻最高可達(dá)50幀/秒。當(dāng)對(duì)快速熱瞬變事件檢測(cè)或?qū)l有一定要求時(shí)，最佳選擇通常是性能較高的制冷型量子探測(cè)器熱像儀。
