如何抉擇丨制冷型or非制冷型紅外熱像儀

作者:冉盛網 時間:2020-09-07 11:04:08

 

       多年來,科學家、研究人員和研發專家熱衷于將紅外熱像儀運用在廣泛的應用領域中,包括工業研發、學術研究、無損檢測(NDT)和材料檢測,以及國防與航空航天等。但是,并非所有的紅外熱像儀均具有同等的品質功能,或者可用于一些專門的應用。譬如,要想獲得精確的測量值,則需要配備高速定格動畫功能的先進紅外熱像儀。今天,我們就一起來看看如何選擇制冷型和非制冷型紅外熱像儀!
       制冷型紅外熱像儀

       先進的制冷型紅外熱像儀配有集成低溫制冷機的成像探測器。這是一款可將探測器溫度降低至制冷溫度的設備。為了將熱噪聲降至場景成像信號水平之下,探測器溫度的下降必不可少。 

       制冷型紅外熱像儀是最敏感型紅外熱像儀,可探測物體間最細微的溫差。它們工作在光譜中波紅外(MWIR)波段和長波紅外(LWIR)波段,因為從物理學角度來講在這些波段熱靈敏度較高。熱靈敏度是指信號變化相對于目標溫度變化。熱靈敏度越高,就越容易探測那些目標溫度與背景差異不大的場景。

FLIR A6700sc是一款科研級中波紅外銻化銦熱像儀,能生成細節豐富的327,680像素熱圖像。

            非制冷型紅外熱像儀
            非制冷型紅外紅外熱像儀是一款其中配備的成像探測器無需低溫制冷的紅外熱像儀。常見的探測器設計基于熱釋電探測器,這是一種擁有較大溫度測量系數的小型氧化釩電阻,表面積較大、熱容量低,以及熱絕緣效果佳。場景溫度變化會導致紅外探測器溫度變化,從而將轉化為電信號,并經過處理產生圖像。

           非制冷型探測器用在長波紅外(LWIR)波段中,與地面溫度類似的目標在該波段中放射出的紅外熱能最多。相比制冷式探測器,非制冷型探測器的制造步驟更少,產率更高,真空包裝成本更低,而且非制冷型紅外熱像儀無需極其高昂的低溫制冷機設備。非制冷型紅外熱像儀配有較少的活動部件,在類似的工作條件下,其往往較制冷型紅外熱像儀具有更長的使用壽命。
 

FLIR T650sc配備一臺非制冷型氧化釩(VOx)微測輻射熱計探測器,能生成640×480像素的熱圖像。

            非制冷型紅外熱像儀展現的優勢帶來了兩難的問題:研發/科學應用什么時候使用制冷型紅外熱像儀?答案是:取決于應用需求。
            實例對比:
            如果你想要發現微小的溫差變化,需要圖像質量,拍攝快速移動或發熱目標;如果你需要看清熱變化過程,或者測量極小目標的溫度;如果你希望在非常明確的電磁波譜部位可見熱對象;抑或你希望將紅外熱像儀與其他測溫設備同步工作,制冷型紅外熱像儀則是適合你的儀器。

           1.速度
            制冷型紅外熱像儀的成像速度快于非制冷型紅外熱像儀。高速熱像成像的曝光時間可達到微秒,能夠停止動態場景的表觀運動,并可捕獲每秒62,000幀以上的幀速率。其應用包括熱分析和動態分析噴氣式發動機渦輪葉片、汽車輪胎或安全氣囊檢測、超音速彈丸,以及爆炸等。 

           制冷型紅外熱像儀具有極快的響應速度,并充分利用全局快門優勢。這意味著它們能夠同時讀出所有的像素,而并非如非制冷型紅外熱像儀一樣逐行讀取,從而使制冷型紅外熱像儀能夠捕獲清晰的圖像和對移動物體進行測溫。
 

            這些紅外圖像對比了以20 mph速度旋轉的輪胎的拍攝效果。左邊這張是用制冷型紅外熱像儀拍攝的。您可能會覺得輪胎并未在轉動,但這是制冷型紅外熱像儀在極其高速條件下的拍攝結果,它會“定格”輪胎的轉動。非制冷型紅外熱像儀的拍攝速度太慢,無法捕捉到輪胎旋轉時使得輪輻顯得透明的瞬間。

            2.空間分辨率

           下面熱圖像對比了采用制冷型和非制冷型紅外熱像儀系統可實現的特寫放大效果。左邊的紅外圖像是用帶4倍近焦鏡頭和像元間距13μm制冷型紅外熱像儀的組合裝置拍攝的,其光斑尺寸為3.5μm。右邊的紅外圖像是用帶1倍近焦鏡頭和像元間距25μm非制冷型紅外熱像儀的組合裝置拍攝的,其光斑尺寸為25μm。

           
            由于傳感紅外波長較短,制冷型紅外熱像儀通常具有比非制冷型紅外熱像儀更強的放大功能。由于制冷型紅外熱像儀的靈敏度更高,因此可使用帶更多光學元件或更厚元件的鏡頭而不降低信號噪聲比,從而提升了放大功能
            3.靈敏度

            制冷型紅外熱像儀靈敏度改善帶來的價值往往并不顯而易見。為了對比靈敏度的優勢,我們做了一個快速的靈敏度實驗。我們將手按在墻上停留幾秒鐘來創建手印的熱圖像,以此進行對比。 


            開始的兩張圖像顯示了手移開瞬間的手印。第二組圖像顯示了兩分鐘后手印的熱特征。您可看見:制冷型紅外熱像儀仍能捕捉手印的大部分熱特征,而非制冷型紅外熱像儀僅能捕捉其部分熱特征。顯而易見,制冷型紅外熱像儀比非制冷型紅外熱像儀能檢測到更細微的溫差,其檢測的持續時間也更長。這意味著:制冷型紅外熱像儀能更清晰地顯示被測目標的細節,并能幫助您檢測到最微弱的熱異常。

            4.光譜濾波

            制冷型紅外熱像儀優勢之一是能夠輕松進行光譜濾波,以便偵測細節和測溫,而這兩點使用非制冷型紅外熱像儀則難以做到。

             實例一:我們使用了濾片,將其置于鏡頭后的濾片支架內或者內置在杜瓦探測器組件內,以便讓火焰完整成像。過去,終端用戶希望測量和表征火焰內的煤顆粒的燃燒現象。借助“看穿火焰”的光譜紅外濾片,我們對制冷型紅外熱像儀進行了光譜波段濾波處理,在該波段中火焰為穿透式,因而我們能夠對煤顆粒進行成像。圖一為不帶火焰濾片拍攝的圖像,我們看到的都是火焰本身。第二張圖為帶火焰濾片拍攝的圖像,我們能夠清晰地看清煤顆粒燃燒情況。

             5.同步

             精確的紅外熱像儀同步和觸發功能使紅外熱像儀成為高速、高熱靈敏度應用的理想之選。通過快照模式工作,FLIR A6750sc能夠同步捕捉熱活動中的所有像素。這對于監測快速移動物體時尤其重要,在這種時候,標準的非制冷式紅外熱像儀會使圖像變得模糊。 

             圖中的圖像即是良好的示例。在該例中,我們扔下一枚硬幣,并通過傳感器觸發紅外熱像儀拍攝圖像。兩次拋扔相同硬幣時,同時觸發紅外熱像儀,你每次都會看到物體處于相同的位置。借助非制冷式紅外探測器紅外熱像儀,你根本無法捕獲硬幣,因為其無法觸發此類型探測器。如果不走運的話,圖像可能模糊不清。

             FLIR紅外熱像儀

             備制冷型探測器的紅外熱像儀比配備非制冷型探測器的紅外熱像儀具有更多優勢,但是這類熱像儀價格更昂貴。FLIR高性能制冷型紅外熱像儀有FLIR A6750sc、A8300sc、SC6000、SC7000、SC8000、X6000sc和X8000sc,它們在紅外中波和紅外長波光譜波段中具有超快速、超靈敏性能,而FLIR A6250sc則可在近紅外光譜波段中操作。 

             FLIR還提供各種非制冷式紅外熱像儀,包括入門級桌面實驗套件和像FLIR T650sc一樣的高端系統。專用鏡頭和軟件將讓您的紅外熱像儀解決方案滿足特定的應用。
             選擇制冷型與非制冷型紅外熱像儀 主要是根據您的用途。