點(diǎn)溫儀與熱成像技術(shù)性能全對比
發(fā)布者：059217 發(fā)布時(shí)間：2018-01-26 09:03:00
紅外熱像儀適用于全世界所有企業(yè)的非接觸式測溫項(xiàng)目。點(diǎn)溫儀是工業(yè)應(yīng)用中另一款廣泛使用的非接觸式測溫工具，其工作原理與熱像儀相同：通過檢測紅外輻射，然后將其轉(zhuǎn)化為溫度讀數(shù)。然而，與點(diǎn)溫儀相比，紅外熱像儀具有以下幾大優(yōu)勢：
●點(diǎn)溫儀只顯示數(shù)字，紅外熱像儀可生成圖像。
●點(diǎn)溫儀只可讀取單個(gè)點(diǎn)的溫度，紅外熱像儀顯示熱圖像中所有像素點(diǎn)的溫度讀數(shù)。
●由于配備有先進(jìn)的光學(xué)鏡頭，紅外熱像儀能在更遠(yuǎn)距離處檢測溫度，有助于檢查大面積區(qū)域。
點(diǎn)溫儀通常又稱為點(diǎn)溫木倉或紅外測溫儀。因其工作原理與紅外測溫儀相同，所以，可認(rèn)為是只有一個(gè)像素點(diǎn)的紅外熱像儀。此工具可以完成多項(xiàng)任務(wù)，但由于只能測量單個(gè)點(diǎn)的溫度，操作人員會錯(cuò)失很多關(guān)鍵信息，無法注意某些即將發(fā)生故障，且亟需修理的高溫關(guān)鍵組件。
同時(shí)使用成千上萬個(gè)點(diǎn)溫儀
類似點(diǎn)溫儀，紅外熱像儀同樣能提供非接觸式溫度讀數(shù)。不同之處在于，熱像儀一次能同時(shí)顯示成千上萬個(gè)溫度讀數(shù)，每個(gè)像素點(diǎn)對應(yīng)一個(gè)溫度讀數(shù)。
一部紅外熱像儀相當(dāng)于成千上萬臺點(diǎn)溫儀。
FLIR E40sc紅外熱像儀分辨率為160 x 120像素，一次能讀取19200個(gè)溫度讀數(shù)，F(xiàn)LIR T1050sc，作為工業(yè)研發(fā)/科學(xué)應(yīng)用的一款高端熱像儀，其分辨率為1024 x 768，一次性可獲得786,432個(gè)溫度讀數(shù)。
既省時(shí)又能探測熱量
熱像儀不僅能測量成千上萬個(gè)點(diǎn)的溫度，而且能將溫度讀數(shù)轉(zhuǎn)化為熱圖像。生成的熱圖像可全面反映待檢設(shè)備的整體狀況，操作人員可立即發(fā)現(xiàn)點(diǎn)溫儀不易發(fā)現(xiàn)的細(xì)微熱點(diǎn)。
此外，熱像儀還能節(jié)省大量時(shí)間，畢竟使用點(diǎn)溫儀測量安裝有大批組件的大面積區(qū)域費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，因?yàn)樾枰獑为?dú)掃描每個(gè)部件。
熱像儀可用于檢查印刷線路板的散熱問題，完成質(zhì)檢或檢查汽車行業(yè)的熱效應(yīng)，或者在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行失誤分析。
為使用點(diǎn)溫儀精確測量物體的溫度，目標(biāo)物體需要完全覆蓋光斑點(diǎn)。這限制了精確測溫的距離。
與點(diǎn)溫儀相比，紅外熱像儀的另一優(yōu)勢在于：能夠在更遠(yuǎn)距離處精確測量物體的溫度。能夠測量給定尺寸目標(biāo)的距離稱之為“距離系數(shù)比”(D:S)或“光斑比”(SSR)。但是這一比值來自何處，又代表何種含義？
點(diǎn)溫儀的光斑尺寸是指設(shè)備能夠精確測量物體的最小區(qū)域。這表示待測溫的物體（又稱“目標(biāo)”）需要覆蓋整個(gè)光斑點(diǎn)。目標(biāo)發(fā)射的紅外輻射通過點(diǎn)溫儀的光學(xué)鏡頭，投射到探測器上。如果目標(biāo)小于光斑點(diǎn)，探測器可能會檢測到目標(biāo)物體周圍的輻射。此時(shí)，點(diǎn)溫儀讀取的不單是目標(biāo)的溫度，而是目標(biāo)與其周圍環(huán)境的綜合溫度。
根據(jù)光學(xué)鏡頭的屬性，點(diǎn)溫儀離測量目標(biāo)越遠(yuǎn)，光斑點(diǎn)會越大。同理，目標(biāo)越小，為了精確測量其溫度，點(diǎn)溫儀應(yīng)越靠近測量目標(biāo)。因此，注意光斑大小至關(guān)重要，確保測量點(diǎn)離目標(biāo)足夠近，以覆蓋整個(gè)光斑，如果能再稍近一點(diǎn)，形成一定的安全邊界，效果會更佳。
例如，如果點(diǎn)溫儀的SSR為1:30，表示直徑為1cm光斑的溫度可在30cm距離處進(jìn)行精確測量。直徑為4cm光斑的溫度可在120cm處精確測量(1.2m)。大多數(shù)點(diǎn)溫儀的SSR介于1:5至1:50之間，換言之，大多數(shù)點(diǎn)溫儀可于5-50cm處測量直徑為1cm目標(biāo)的溫度。
紅外熱像儀與點(diǎn)溫儀相似，其紅外輻射被投射至探測器矩陣上，圖像上的每個(gè)像素點(diǎn)對應(yīng)一個(gè)溫值。熱像儀生產(chǎn)商在描述其產(chǎn)品空間分辨率時(shí)，通常不會明確指出SSR值，而是使用空間分辨率(IFOV)。IFOV是指熱像儀探測器陣列單個(gè)像元的視場角。
理論上，IFOV直接確定了熱像儀的光斑比。由目標(biāo)發(fā)射的紅外輻射經(jīng)過光學(xué)鏡頭，然后投射至探測器時(shí)，所投射的紅外輻射至少應(yīng)完全覆蓋一個(gè)探測器的像元，其對應(yīng)熱圖像的一個(gè)像素點(diǎn)。因此，理論而言，覆蓋熱圖像的一個(gè)像素點(diǎn)應(yīng)足以確保正確的測溫值。
IFOV通常以毫弧度表示（1弧度的千分之一）。弧度表示弧長與半徑之比。1弧度在數(shù)學(xué)意義上表示圓弧長度等于圓的半徑時(shí)形成的角度。由于圓的周長C=2πr(r為半徑)，1弧度等于圓周的1/(2π)，或近似57.296?，即1毫弧度0.057?。
使用熱像儀測量某個(gè)目標(biāo)的溫度時(shí)，我們假定與目標(biāo)的距離等于圓的半徑，同時(shí)設(shè)想目標(biāo)相當(dāng)平整，由于單個(gè)探測器像元的視角較小，可以假定，角度的正切值近似等于其弧度值。
在理想情況下，投射目標(biāo)至少應(yīng)覆蓋一個(gè)像素點(diǎn)。為了確保精確讀數(shù)，解釋投射時(shí)的光色散，建議覆蓋面積略大的區(qū)域。
在此公式中，光斑尺寸與目標(biāo)尺寸的單位以厘米(cm)表示，IFOV以毫弧度(mrad)表示。當(dāng)距離為100cm，IFOV為1 mrad時(shí)，光斑尺寸為0.1 cm。如果0.1 cm的光斑尺寸可在100cm處測得，那么1 cm的光斑尺寸可在1000cm處測得，表示：距離系數(shù)比為1:1000。
如果我們將上述計(jì)算代入公式，將SSR表示為1:X的形式，用1表示光斑尺寸，X代表距離，那么，關(guān)于X的公式如下
式中IFOV以毫弧度(mrad)表示。
理想與實(shí)際光學(xué)鏡頭
使用上述公式可計(jì)算IFOV為1.4 mrad的熱像儀，理論SSR為1:714，因此，理論上可在7m距離處測量直徑為1 cm的物體。然而，如前所述，理論值并不代表真實(shí)情況，而且還未考慮現(xiàn)實(shí)中所使用的光學(xué)鏡頭并非完美。將紅外輻射投射至探測器的鏡頭會導(dǎo)致色散與其它光學(xué)反常現(xiàn)象，無法確保目標(biāo)能精確投射到單個(gè)探測器像元上。
投射的紅外輻射同樣也有可能來自鄰近的探測器像元。換言之：目標(biāo)周圍的表面溫度可能會影響溫度讀數(shù)。
如點(diǎn)溫儀一樣，目標(biāo)不僅應(yīng)完全覆蓋光斑點(diǎn)，而且還應(yīng)覆蓋光斑點(diǎn)附近的安全邊界，當(dāng)使用紅外探測器熱像儀測量溫度時(shí)，建議使用安全邊界。安全邊界由測量視場角(MFOV)獲得。MFOV描述了熱像儀的真實(shí)測量光斑尺寸，換言之，即：獲取正確讀數(shù)的最小測量區(qū)域。
MFOV通常由許多IFOV表示（單個(gè)像素點(diǎn)的視場角）。紅外探測器熱像儀的常用慣例是：考慮到光學(xué)反常現(xiàn)象，目標(biāo)至少需覆蓋3倍IFOV的區(qū)域。這表示：在一幅熱圖像中，目標(biāo)不僅要覆蓋一個(gè)像素點(diǎn)，而且還應(yīng)覆蓋其周圍的像素點(diǎn)，在理想條件下，像素點(diǎn)應(yīng)該足以完成測量需求。
使用本慣例時(shí)，確定光斑比的公式可考慮真實(shí)光學(xué)鏡頭的系數(shù)。為更接近真實(shí)值，可以使用3 倍IFOV，而不是1倍 IFOV，其公式如下：
式中IFOV以毫弧度(mrad)表示。
基于這一公式，IFOV為1.4mrad的熱像儀SSR為1:238，表示可在2.4m處測量直徑為1 cm的物體。由于存在安全邊界，理論值可能趨于保守。真實(shí)的SSR可能會更高，但是使用這些保守的SSR值，可確保溫度讀數(shù)的精度。
源自物體的紅外能(A)經(jīng)過光學(xué)鏡頭(B)聚焦，投射至紅外探測器(C)上。探測器將信息發(fā)送至傳感器電子元件(D)上，用作圖像處理。電子元件將源自探測器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化可以在取景器、標(biāo)準(zhǔn)視頻顯示器或LCD顯示屏上讀取的圖像(E)。
點(diǎn)溫儀的SSR值通常介于1:5至1:50之間。大多數(shù)實(shí)惠型號的SSR值介于1:5至1:10之間，功能越先進(jìn)，價(jià)格越高，SSR值最高可為1:40或甚至1:50。注意：提到光學(xué)鏡頭時(shí)，點(diǎn)溫儀與紅外熱像儀存在相同的問題。在比較點(diǎn)溫儀的技術(shù)規(guī)格時(shí)，必須清楚SSR值是指理論值，還是對鏡頭的補(bǔ)償值。
在遠(yuǎn)距離處檢測溫度
即便是考慮到了理想與實(shí)際光學(xué)鏡頭的系數(shù)，在測量距離上，熱像儀與點(diǎn)溫儀也存在相當(dāng)大的差異。當(dāng)測量目標(biāo)為1 cm時(shí)，大多數(shù)點(diǎn)溫儀的距離為10-50 cm，很難再高于這一范圍。
特寫與顯微鏡頭可拍攝詳細(xì)的圖像細(xì)節(jié)，便于測量微小的熱點(diǎn)。對于點(diǎn)溫儀而言，這是極端困難的。最上端的圖像采用4倍特寫鏡頭拍攝，底端的圖像采用15μm鏡頭拍攝。
對于同樣尺寸的目標(biāo)，熱像儀可在數(shù)米遠(yuǎn)的距離精確測量其目標(biāo)。即便IFOV為2.72 mrad的FLIR E40紅外熱像儀仍能在120cm處的距離測量測量尺寸為1 cm的溫度點(diǎn)。FLIR T1050sc作為FLIR的一款高端工業(yè)應(yīng)用紅外熱像儀，采用標(biāo)準(zhǔn)的28?鏡頭，可在7m距離處測量同樣尺寸大小的目標(biāo)。
使用標(biāo)準(zhǔn)鏡頭可對這些值進(jìn)行計(jì)算。許多高級熱像儀均配有可更換鏡頭。當(dāng)使用不同的鏡頭時(shí)，IFOV也會隨之改變，反過來會影響光斑比。對于FLIR T1050sc紅外熱像儀，F(xiàn)LIR不僅提供28?標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，還提供12?遠(yuǎn)焦鏡頭。配備專門為遠(yuǎn)距離觀察設(shè)計(jì)的鏡頭后，其光斑比會更大。若安裝12?的遠(yuǎn)焦鏡頭，F(xiàn)LIR T1050sc紅外熱像儀的IFOV為0.20毫弧度，利用這一鏡頭，同一臺熱像儀可在17m距離處精確測量相同大小尺寸的目標(biāo)。
判斷是否需要進(jìn)一步靠近目標(biāo)
以SSR值來看，紅外熱像儀的性能明顯高于點(diǎn)溫儀，但是SSR值僅指能夠精確測量溫度的距離。在實(shí)際檢測中，熱點(diǎn)并非需要精確的溫度讀數(shù)。在熱圖像中，即便目標(biāo)只覆蓋一個(gè)像素點(diǎn)時(shí)，熱點(diǎn)仍舊清晰可辨。溫度讀數(shù)可能并非完美，但能用于檢測到熱點(diǎn)，操作人員可進(jìn)一步靠近目標(biāo)，確保目標(biāo)在熱圖像中能覆蓋更多的像素點(diǎn)，保證溫度讀數(shù)準(zhǔn)確無誤。
在測量微小目標(biāo)時(shí)，點(diǎn)溫儀也面臨著巨大挑戰(zhàn)。這項(xiàng)功能在電子元件檢測中變得日趨重要。由于設(shè)備的處理速度持續(xù)加快，而且需要安裝在更小體積的空間內(nèi)，尋找散熱和識別熱點(diǎn)的方法是一項(xiàng)非常實(shí)際的問題。點(diǎn)溫儀能有效檢測和測量溫度，但是其光斑尺寸太大。然而，配備有特寫鏡頭的熱像儀每像素光斑尺寸的焦距可調(diào)低至5μm，便于工程師和技術(shù)員對細(xì)微的目標(biāo)進(jìn)行測量。
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