如何抉择丨制冷型or非制冷型红外热像仪

作者:冉盛网 时间:2020-09-07 11:04:08

 

       多年来,科学家、研究人员和研发专家热衷于将红外热像仪运用在广泛的应用领域中,包括工业研发、学术研究、无损检测(NDT)和材料检测,以及国防与航空航天等。但是,并非所有的红外热像仪均具有同等的品质功能,或者可用于一些专门的应用。譬如,要想获得精确的测量值,则需要配备高速定格动画功能的先进红外热像仪。今天,我们就一起来看看如何选择制冷型和非制冷型红外热像仪!
       制冷型红外热像仪

       先进的制冷型红外热像仪配有集成低温制冷机的成像探测器。这是一款可将探测器温度降低至制冷温度的设备。为了将热噪声降至场景成像信号水平之下,探测器温度的下降必不可少。 

       制冷型红外热像仪是最敏感型红外热像仪,可探测物体间最细微的温差。它们工作在光谱中波红外(MWIR)波段和长波红外(LWIR)波段,因为从物理学角度来讲在这些波段热灵敏度较高。热灵敏度是指信号变化相对于目标温度变化。热灵敏度越高,就越容易探测那些目标温度与背景差异不大的场景。

FLIR A6700sc是一款科研级中波红外锑化铟热像仪,能生成细节丰富的327,680像素热图像。

            非制冷型红外热像仪
            非制冷型红外红外热像仪是一款其中配备的成像探测器无需低温制冷的红外热像仪。常见的探测器设计基于热释电探测器,这是一种拥有较大温度测量系数的小型氧化钒电阻,表面积较大、热容量低,以及热绝缘效果佳。场景温度变化会导致红外探测器温度变化,从而将转化为电信号,并经过处理产生图像。

           非制冷型探测器用在长波红外(LWIR)波段中,与地面温度类似的目标在该波段中放射出的红外热能最多。相比制冷式探测器,非制冷型探测器的制造步骤更少,产率更高,真空包装成本更低,而且非制冷型红外热像仪无需极其高昂的低温制冷机设备。非制冷型红外热像仪配有较少的活动部件,在类似的工作条件下,其往往较制冷型红外热像仪具有更长的使用寿命。
 

FLIR T650sc配备一台非制冷型氧化钒(VOx)微测辐射热计探测器,能生成640×480像素的热图像。

            非制冷型红外热像仪展现的优势带来了两难的问题:研发/科学应用什么时候使用制冷型红外热像仪?答案是:取决于应用需求。
            实例对比:
            如果你想要发现微小的温差变化,需要图像质量,拍摄快速移动或发热目标;如果你需要看清热变化过程,或者测量极小目标的温度;如果你希望在非常明确的电磁波谱部位可见热对象;抑或你希望将红外热像仪与其他测温设备同步工作,制冷型红外热像仪则是适合你的仪器。

           1.速度
            制冷型红外热像仪的成像速度快于非制冷型红外热像仪。高速热像成像的曝光时间可达到微秒,能够停止动态场景的表观运动,并可捕获每秒62,000帧以上的帧速率。其应用包括热分析和动态分析喷气式发动机涡轮叶片、汽车轮胎或安全气囊检测、超音速弹丸,以及爆炸等。 

           制冷型红外热像仪具有极快的响应速度,并充分利用全局快门优势。这意味着它们能够同时读出所有的像素,而并非如非制冷型红外热像仪一样逐行读取,从而使制冷型红外热像仪能够捕获清晰的图像和对移动物体进行测温。
 

            这些红外图像对比了以20 mph速度旋转的轮胎的拍摄效果。左边这张是用制冷型红外热像仪拍摄的。您可能会觉得轮胎并未在转动,但这是制冷型红外热像仪在极其高速条件下的拍摄结果,它会“定格”轮胎的转动。非制冷型红外热像仪的拍摄速度太慢,无法捕捉到轮胎旋转时使得轮辐显得透明的瞬间。

            2.空间分辨率

           下面热图像对比了采用制冷型和非制冷型红外热像仪系统可实现的特写放大效果。左边的红外图像是用带4倍近焦镜头和像元间距13μm制冷型红外热像仪的组合装置拍摄的,其光斑尺寸为3.5μm。右边的红外图像是用带1倍近焦镜头和像元间距25μm非制冷型红外热像仪的组合装置拍摄的,其光斑尺寸为25μm。

           
            由于传感红外波长较短,制冷型红外热像仪通常具有比非制冷型红外热像仪更强的放大功能。由于制冷型红外热像仪的灵敏度更高,因此可使用带更多光学元件或更厚元件的镜头而不降低信号噪声比,从而提升了放大功能
            3.灵敏度

            制冷型红外热像仪灵敏度改善带来的价值往往并不显而易见。为了对比灵敏度的优势,我们做了一个快速的灵敏度实验。我们将手按在墙上停留几秒钟来创建手印的热图像,以此进行对比。 


            开始的两张图像显示了手移开瞬间的手印。第二组图像显示了两分钟后手印的热特征。您可看见:制冷型红外热像仪仍能捕捉手印的大部分热特征,而非制冷型红外热像仪仅能捕捉其部分热特征。显而易见,制冷型红外热像仪比非制冷型红外热像仪能检测到更细微的温差,其检测的持续时间也更长。这意味着:制冷型红外热像仪能更清晰地显示被测目标的细节,并能帮助您检测到最微弱的热异常。

            4.光谱滤波

            制冷型红外热像仪优势之一是能够轻松进行光谱滤波,以便侦测细节和测温,而这两点使用非制冷型红外热像仪则难以做到。

             实例一:我们使用了滤片,将其置于镜头后的滤片支架内或者内置在杜瓦探测器组件内,以便让火焰完整成像。过去,终端用户希望测量和表征火焰内的煤颗粒的燃烧现象。借助“看穿火焰”的光谱红外滤片,我们对制冷型红外热像仪进行了光谱波段滤波处理,在该波段中火焰为穿透式,因而我们能够对煤颗粒进行成像。图一为不带火焰滤片拍摄的图像,我们看到的都是火焰本身。第二张图为带火焰滤片拍摄的图像,我们能够清晰地看清煤颗粒燃烧情况。

             5.同步

             精确的红外热像仪同步和触发功能使红外热像仪成为高速、高热灵敏度应用的理想之选。通过快照模式工作,FLIR A6750sc能够同步捕捉热活动中的所有像素。这对于监测快速移动物体时尤其重要,在这种时候,标准的非制冷式红外热像仪会使图像变得模糊。 

             图中的图像即是良好的示例。在该例中,我们扔下一枚硬币,并通过传感器触发红外热像仪拍摄图像。两次抛扔相同硬币时,同时触发红外热像仪,你每次都会看到物体处于相同的位置。借助非制冷式红外探测器红外热像仪,你根本无法捕获硬币,因为其无法触发此类型探测器。如果不走运的话,图像可能模糊不清。

             FLIR红外热像仪

             备制冷型探测器的红外热像仪比配备非制冷型探测器的红外热像仪具有更多优势,但是这类热像仪价格更昂贵。FLIR高性能制冷型红外热像仪有FLIR A6750sc、A8300sc、SC6000、SC7000、SC8000、X6000sc和X8000sc,它们在红外中波和红外长波光谱波段中具有超快速、超灵敏性能,而FLIR A6250sc则可在近红外光谱波段中操作。 

             FLIR还提供各种非制冷式红外热像仪,包括入门级桌面实验套件和像FLIR T650sc一样的高端系统。专用镜头和软件将让您的红外热像仪解决方案满足特定的应用。
             选择制冷型与非制冷型红外热像仪 主要是根据您的用途。