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高速热像仪对速度的渴求

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高速热像仪对速度的渴求

发布日期:2019-06-21 作者:深圳市金厚德电子科技有限公司 点击:

高速热像仪–对速度的渴求

使用热电偶或点温仪测量热使您无法全面了解一个设备的热性质。这些传统的测量方法不能以所需的分辨率或速度完全描述高速热应用的特性。但是,红外热像仪能捕获数千个点的高速热测量值,向您展示究竟哪里的热突然爆发,速度有多快。借助合适的红外热像仪,您能够收集可靠的测量结果,将产生的令人信服的数据用于研究中。

红外热像仪的类型

大体而论,目前使用的红外热像仪有两种,即高性能的制冷型光子计数热像仪和基于微测辐射热计的低成本非制冷型热像仪。

当今市场上的大多数制冷型热像仪采用锑化铟(InSb)探测器。制冷型热像仪通过对特定波段(通常为介于3-5μm之间的中波红外波段)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。通过打开积分电容器使其短路,像素以电子的方式关闭。FLIR锑化铟热像仪对-20°C350°C物体的一般积分时间为大约6ms50µs不等,这取决于热像仪型号。如此之短的积分时间使定格摄影和精确测量极快暂态成为可能。

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FLIR制冷型锑化铟热像仪捕获的黄蜂战斗机的定格图像

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一个传统热电偶的热图像

与上文提到的制冷型热像仪相比,非制冷型热像仪价格更低、体积更小、质量更轻且功耗更低。非制冷型热像仪的像素由一种电阻随温度变化而发生显著变化的材料制成,最常见的材料是氧化钒或非晶硅。热能被聚集在像素上,像素在物理层面上变热或冷却。由于像素的电阻随温度变化而变化,可测得电阻值并通过一个校准程序将其映射回目标温度。由于像素有一个有限质量,因此其拥有一个热时间常数。新式基于微测辐射热计的热像仪的时间常数一般介于8-12ms之间。这并不意味着像素每8-12ms便可读出并提供一个精确的结果!一阶系统响应阶跃输入的经验法则是需要五个时间常数才能达到稳定状态。

时间常数和思维实验

思考微测辐射热计的时间响应的一种有趣的方式是:假设有两桶水,一桶为0℃搅拌均匀的冰水,另一桶为100℃快速沸腾的沸水。让微测辐射热计对准冰水,然后突然瞬间切换到沸水(100℃阶跃输入)并绘制最终的温度曲线。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

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1–0°C过渡到100°C的系统响应,tau=10ms,一半时间=7ms

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3–锑化铟探测器与微测辐射热计的热瞬态对比曲线图

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2–离开加热滚筒的纸张的热图像

我们可以看到红外探测器在7ms或一半时间时报出的温度为50℃,两个一半时间时报出75℃,三个一半时间时报出87.5℃等等。如果我们尝试以100/秒或在10ms时读出温度,结果会怎样?热像仪会报出63℃,误差达37℃。热像仪会准确报出像素的温度,但是像素尚未达到正检测的场景的温度。总之,以快于大约30/秒的速率运行微测辐射热计毫无意义。

实际数据

让我们看一下需要将纸张加热到60℃的打印过程。纸张以127厘米/秒的速度输出,并且在纵向和横向的温度必须均匀。

制冷型光子计数热像仪和微测辐射热计热像仪都被用于捕获一个接一个数据。图3显示来自两种类型的热像仪的数据明显不同。来自微测辐射热计的数据显示沿长边的温度呈现出较大的、相对稳定的隆起。来自光子计数热像仪的数据显示温度随时间推移出现显著变化。制冷型热像仪显示加热滚筒组件由于第一次旋转与纸接触而冷却。继电器式控制器感应到温度下降,通过再次完全开启加热控制器进行响应。结果,滚筒变热直至到达设定温度,然后关闭,该流程如此重复进行。该曲线图足以让研发工程师确认两件事:需要使用光子计数热像仪测试产品;如果想要达到预期设计目标,加热滚筒上必须采用PID控制系统而不是简单的继电器式控制器。

 

采用光子计数探测器的热像仪(积分时间为66μs

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采用微测辐射热计的热像仪(时间常数为8ms

4–采用光子计数热像仪和采用微测辐射热计的热像仪拍摄的小型取暖器的热图像

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60Hz下记录,积分时间为12ms

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60Hz下记录,积分时间为12ms

4–采用光子计数热像仪和采用微测辐射热计的热像仪拍摄的小型取暖器的热图像

在第二个例子中,我们检测一台快速旋转的风扇的扇叶,试图定格扇叶以精确测量其温度。如您所料,如果我们没有足够快的曝光时间,图像将会模糊不清,我们无法定格扇叶以获取真实的温度读数。 (见图4

注意制冷型热像仪提供的快速积分时间如何定格扇叶,并精确测量扇叶表面和加热线圈的温度。相比之下,扇叶旋转的过快,以致于非制冷型热像仪无法记录。线圈的所有温度测量值都会偏低,因为事实上线圈被旋转的扇叶挡住了。

最后一个例子通过测量旋转的直升机桨叶的热效应说明同一问题。当您向叶尖移动时,风摩擦产生的热梯度沿扇叶增大。使用微测辐射热计探测器,可有效定格物体,以准确描述物体的特性,测得真实的温度。(见图5和图6

采用能解决问题的合适工具

如您所见,使用正确的热探测器进行工作十分重要。如果选择一个固有响应速度很慢的探测器,然后在高帧频下读出结果,那么最终得到的可能是无效数据。一般而言,微测辐射热计可使用的最大帧频为50/秒。对于涉及快速热力瞬变或要求快帧频的测试,最好选择性能更高的制冷型光子计数热像仪。然而,如果对高帧频并无要求,那么价格较低的非制冷型微测辐射热计热像仪更为经济实用。

 


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