如何才能測量高速移動或溫度驟變物體的熱量?

本文探討了在高速熱應(yīng)用及溫度驟變場景下，傳統(tǒng)測溫工具如熱電偶、點(diǎn)溫儀的局限性，以及紅外熱像儀作為非接觸式測溫技術(shù)的優(yōu)勢。重點(diǎn)對比了點(diǎn)測溫與區(qū)域測溫、制冷型與非制冷型紅外探測器的性能差異，強(qiáng)調(diào)挑選準(zhǔn)確工具的重要性。

如何才能測量高速移動或溫度驟變物體的熱量?傳統(tǒng)的測溫工具，比如熱電偶或點(diǎn)溫儀，無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。這些工具在用于對移動中物體進(jìn)行測溫時(shí)并不實(shí)用，至少來說，并不可完整提供物體的熱屬性信息。

相比之下，紅外熱像儀可以測量整個(gè)場景中的溫度，捕捉每一像素的熱數(shù)據(jù)。紅外熱像儀可以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、非接觸式的溫度測量。通過為相關(guān)應(yīng)用挑選準(zhǔn)確的熱像儀類型，你便可以收集到可靠的高速測溫?cái)?shù)據(jù)，生成定格的熱圖像，并給出具有說服力的研究數(shù)據(jù)。

點(diǎn)測溫與區(qū)域測溫

測量一個(gè)區(qū)域內(nèi)的溫度，而非逐個(gè)點(diǎn)、逐個(gè)點(diǎn)的進(jìn)行測溫，可以幫助研究人員和工程師對其正在測試的系統(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接觸才能進(jìn)行測溫，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

非接觸式的測溫可能采用點(diǎn)溫儀(也稱為紅外測溫儀)，但如同熱電偶一樣，點(diǎn)溫儀只能測量單點(diǎn)的溫度。

紅外熱像儀能對絕對零度以上物體發(fā)出的熱輻射生成熱圖像。通過提供每一個(gè)像素的溫度測量值，研究人員可以以非接觸的方式對某一場景進(jìn)行觀察和測溫。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器

紅外探測器大體可分為兩類：一類是熱探測器，另一類是量子探測器。

熱探測器，比如微測輻射熱計(jì)，會對射入的輻射能產(chǎn)生反應(yīng)，加熱像素，通過電阻的變化來反映出溫度的變化。此類紅外熱像儀不需要制冷，且成本比量子探測器紅外熱像儀低。

制冷型量子探測器采用銻化銦(InSb)、銦鎵砷(InGaAs)或應(yīng)變超晶格制成。這類探測器為光電探測器，即光子撞擊像素點(diǎn)，轉(zhuǎn)化為可存儲于積分電容器的電子。像素采用的電子快門，通過斷開或短路積分電容器來控制快門。

RPM Energy Associates總裁羅伯特·曼丁博士解釋稱：“量子探測器在本質(zhì)上比微測輻射熱計(jì)的速度要快，主要原因是微測輻射熱計(jì)必須要改變溫度?！?/p>

與改變像素溫度相反的是，“量子探測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)電帶的探測器能量帶隙，”曼丁博士表示，“根據(jù)探測器的不同設(shè)計(jì)，可以測量為探測器電壓或電流的變化。這一變化可能發(fā)生得非?？臁！?/p>

銻化銦(InSb)探測器熱像儀，比如FLIR X6900sc，在測量-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0.48μs。如此短的“快照速度”可以定格畫面，準(zhǔn)確測量非常快的瞬時(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)像素的溫度都會升高或下降。其電阻隨溫度的變化而變化，并可測量其數(shù)值，同時(shí)通過校準(zhǔn)流程映射至目標(biāo)溫度。

現(xiàn)今配備的微測輻射熱計(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輻射熱計(jì)的時(shí)間常數(shù)概念和其影響高速測溫的方式。

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。讓微測輻射熱計(jì)紅外熱像儀先對準(zhǔn)冰水測溫，然后馬上對準(zhǔn)沸水(100 ?C的躍階輸入)，記錄這一過程的測溫結(jié)果。

對于這一圖形，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)變化的過程。在經(jīng)過1個(gè)減半時(shí)間常數(shù)，微測輻射熱計(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)過一個(gè)半躍階，就越接近100?C。

由0 ?C至100 ?C過渡的系統(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，微測輻射熱計(jì)讀取的沸水溫度在60 ?C附近，存在40 ?C的偏差。熱像儀仍會精確報(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)到所測量場景的溫度值。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，我們從測量機(jī)械系統(tǒng)的角度，看看量子探測器的積分時(shí)間與微測輻射熱計(jì)的時(shí)間常數(shù)之間的區(qū)別。第一個(gè)示例是一個(gè)打印過程，紙張?jiān)谡麄€(gè)寬度和長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)過加熱的顯影輥的熱圖像

使用制冷型量子探測器紅外熱像儀與微測輻射熱計(jì)紅外熱像儀捕獲每邊的數(shù)據(jù)。

光子計(jì)數(shù)量子紅外探測器與微測輻射熱計(jì)在測量熱瞬時(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。微測輻射熱計(jì)熱像儀獲得的數(shù)據(jù)沿著長度方向表現(xiàn)出較大而相對穩(wěn)定的突起。而量子探測器熱像儀隨著時(shí)間的推移，溫度明顯有所不同。這一變化表明經(jīng)過加熱的顯影輥

組件在轉(zhuǎn)動的第一周時(shí)，由于與紙張接觸，溫度會有所下降。雙滯環(huán)控制器感應(yīng)到降溫后，會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，控制器會關(guān)閉加熱過程，然后再重復(fù)這一過程。這張圖形足以幫助研發(fā)工程師確認(rèn)兩件事：檢測產(chǎn)品需要一臺光子計(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)。

再來看第2個(gè)例子，我們的目標(biāo)是獲取以40 mph速率轉(zhuǎn)動的風(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)動基本上是透明的。(見下圖)

使用微測輻射熱計(jì)紅外熱像儀(左圖)和使用量子探測器紅外熱像儀(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)域的精確測量，需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)速過快，非制冷型紅外熱像儀無法記錄溫度值。由于被旋轉(zhuǎn)葉片干擾，所測的溫度將會偏低。

停格拍攝性能之外的優(yōu)勢

除了快照速度的優(yōu)勢之外，量子探測器紅外熱像儀優(yōu)于微測輻射熱計(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，微測輻射熱計(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。X6900sc和類似的制冷型紅外熱像儀雖然無法方便攜帶，但具有遠(yuǎn)程同步和觸發(fā)等功能。

為測量任務(wù)挑選準(zhǔn)確的工具

如大家所見，為作業(yè)挑選準(zhǔn)確的熱探測器十分重要。采用傳統(tǒng)的測溫方式并不可用于測量快速移動或越來越小設(shè)備的溫度，也不可提供足夠的信息說明產(chǎn)品受到的熱變化程度。紅外熱像儀可以在每一張圖像中捕捉成百上千個(gè)準(zhǔn)確的非接觸測溫值，但如何挑選適合您應(yīng)用的準(zhǔn)確探測器至關(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

如果挑選的探測器響應(yīng)時(shí)間較慢，然后又使用高幀頻來獲取讀數(shù)，那么得到的數(shù)據(jù)必定不甚理想。一般而言，微測輻射熱計(jì)的幀頻最高可達(dá)50幀/秒。當(dāng)對快速熱瞬變事件檢測或?qū)l有一定要求時(shí)，最佳挑選通常是性能較高的制冷型量子探測器熱像儀。