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用及溫度驟變場景下，傳統(tǒng)測溫工具如熱電偶、點溫儀的局限性，以及紅外熱像儀作為非接觸式測溫技術的優(yōu)勢。重點對比了點測溫與區(qū)域測溫、制冷型與非制冷型紅外探測器的性能差異，強調挑選準確工具的重要性。

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，比如熱電偶或點溫儀，無法提供能完全顯示高速熱應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行測溫時并不實用，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)。紅外熱像儀可以實現(xiàn)快速、準確、非接觸式的溫度測量。通過為相關應用挑選準確的熱像儀類型，你便可以收集到可靠的高速測溫數(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)。

點測溫與區(qū)域測溫

測量一個區(qū)域內的溫度，而非逐個點、逐個點的進行測溫，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行測溫，因此它們只能一次提供一個位置的溫度數(shù)據(jù)。而且，小的測試目標一次只能安裝少數(shù)熱電偶。貼在其上，實際上熱電偶會散熱，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溫儀(也稱為紅外測溫儀)，但如同熱電偶一樣，點溫儀只能測量單點的溫度。

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)比熱電偶或點溫儀要多，而且可以追蹤隨時間推移所發(fā)生的溫度變化，所以它們非常適合用于研究和工程設計項目。

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，會對射入的輻射能產生反應，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，轉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：“量子探測器在本質上比微測輻射熱計的速度要快，主要原因是微測輻射熱計必須要改變溫度?！?/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體中的電子里，提至高于進入導電帶的探測器能量帶隙，”曼丁博士表示，“根據(jù)探測器的不同設計，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，其典型的積分時間可能低至0.48μs。如此短的“快照速度”可以定格畫面，準確測量非?？斓乃矔r變化。

FLIR銻化銦制冷型熱像儀拍攝的FA-18大黃蜂戰(zhàn)斗機的定格畫面

相反，非制冷型熱像儀，比如FLIR T1030sc，它的像素由隨溫度產生明顯電阻變化的材料組成。而且，每一個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，同時通過校準流程映射至目標溫度。

現(xiàn)今配備的微測輻射熱計紅外熱像儀的快照速度或“時間常數(shù)”一般為8-12ms。但這并不意味著傳感器像素點以每8-12ms進行讀取。一般的經驗是：處理躍階輸入信號的一階系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間是時間常數(shù)的5倍。

時間常數(shù)與思維實驗

以下的思維實驗有助于方便理解微測輻射熱計的時間常數(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。讓微測輻射熱計紅外熱像儀先對準冰水測溫，然后馬上對準沸水(100 ?C的躍階輸入)，記錄這一過程的測溫結果。

對于這一圖形，我們使用7 ms作為熱像減半時間的估值，所以我們可以很密切地追蹤隨5倍時間常數(shù)變化的過程。在經過1個減半時間常數(shù)，微測輻射熱計報告溫度達到50 ?C——或是沸水實際溫度的一半。

2個減半時間常數(shù)后，溫度達到75?C;3個減半時間常數(shù)后，溫度達到87.5?C，以此類推，每經過一個半躍階，就越接近100?C。

由0 ?C至100 ?C過渡的系統(tǒng)響應圖

時間常數(shù)=10 ms，減半時間常數(shù) = 7 ms

現(xiàn)在，假設整個躍階的溫度讀數(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。熱像儀仍會精確報告像素點的溫度。問題是，像素點本身沒有足夠的時間達到所測量場景的溫度值。它仍需要4倍多的時間常數(shù)才能達到穩(wěn)定的溫度。

真實數(shù)據(jù)

現(xiàn)在，我們從測量機械系統(tǒng)的角度，看看量子探測器的積分時間與微測輻射熱計的時間常數(shù)之間的區(qū)別。第一個示例是一個打印過程，紙張在整個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紅外熱像儀捕獲每邊的數(shù)據(jù)。

光子計數(shù)量子紅外探測器與微測輻射熱計在測量熱瞬時事件中的比較圖

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間的推移，溫度明顯有所不同。這一變化表明經過加熱的顯影輥

組件在轉動的第一周時，由于與紙張接觸，溫度會有所下降。雙滯環(huán)控制器感應到降溫后，會全幅開啟加熱器控制器。最后，當顯影輥加熱至預設溫度后，控制器會關閉加熱過程，然后再重復這一過程。這張圖形足以幫助研發(fā)工程師確認兩件事：檢測產品需要一臺光子計數(shù)熱像儀;如需獲得理想的設計目標，需要在加熱的顯影輥上加裝PID控制系統(tǒng)。

再來看第2個例子，我們的目標是獲取以40 mph速率轉動的風扇葉片定格畫面。正如我們預期的那樣，非制冷型微測輻射熱計熱像儀的曝光速度不夠快，整個顯示的轉動基本上是透明的。(見下圖)

使用微測輻射熱計紅外熱像儀(左圖)和使用量子探測器紅外熱像儀(右圖)記錄以40 mph速率旋轉的輪胎

為了實現(xiàn)卡尺和轉子腐蝕區(qū)域的精確測量，需注意制冷型熱像儀要達到多快的積分時間才能獲得葉片的定格畫面。相反，因葉片轉速過快，非制冷型紅外熱像儀無法記錄溫度值。由于被旋轉葉片干擾，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，但具有遠程同步和觸發(fā)等功能。

為測量任務挑選準確的工具

如大家所見，為作業(yè)挑選準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備的溫度，也不可提供足夠的信息說明產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準確的非接觸測溫值，但如何挑選適合您應用的準確探測器至關重要。

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如果挑選的探測器響應時間較慢，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，微測輻射熱計的幀頻最高可達50幀/秒。當對快速熱瞬變事件檢測或對幀頻有一定要求時，最佳挑選通常是性能較高的制冷型量子探測器熱像儀。