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/ 知識庫 /熱成像特性

熱成像與輻射測量特性

探索熱成像原理與輻射測量特性,這些是運用紅外線攝影機進行精確溫度測量不可或缺的基礎。深入瞭解影響視野範圍、發射率的關鍵因素,以及環境條件如何影響紅外線讀數的精準度。

視野與溫度測量

下圖顯示水平(HFOV)與垂直(VFOV)視野範圍。根據相機與被觀測場景的距離,最大場景寬度隨之增加。隨著距離增加,被測物體的解析度亦會產生變化。
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由於真實光學系統會產生不可避免的模糊,被測物體的尺寸至少需達3像素,方能獲得精確的測量結果。

熱成像原理在輻射測溫中的應用

本章旨在簡要概述使用紅外線攝影機進行輻射溫度測量的原理。使用IRSX進行溫度測量的先決條件是攝影機已完成校準。此狀態可透過攝影機屬性中的GenICam節點「輻射控制」項目進行確認。

IRSX系列相機專為配備熱感測器而設計。此類感測器的核心特性在於其對物體輻射能與探測器間存有正比關係。輻射能值與物體溫度呈非線性依賴關係,同時受環境條件及物體參數多重因素影響。

要透過物體的紅外線輻射來測量其溫度,必須了解測量情境的若干參數。最重要的參數如下圖所示。

發射率

發射率取決於多個物體特性,例如材質、表面狀態、觀測角度,以及物體本身的溫度。因此,此參數是熱成像溫度測量中最基礎的參數之一。實際應用中,常見數值範圍介於0.1(例如拋光金屬表面)至0.98(例如人體皮膚)。
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考慮到觀測場景,物體溫度與相機訊號SDet之間的功能關係可由下列公式描述:
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為計算物體溫度TObj,必須針對環境影響對相機訊號SDet進行校正。

物體發射率的測定

物體的發射率可透過下列方法進行初步測定。該物體的溫度必須與環境溫度存在顯著差異。為便於參考,附錄中提供不同材料典型發射率值的對照表(參見「發射率表」章節)。

使用熱電偶測量物體溫度

一種簡易的暫定輻射率測定方法,是透過熱電偶在物體某一點測量溫度。接著將紅外線相機對準物體的同一點,並調整輻射率值,直至相機顯示溫度與熱電偶測得數值相符。 設定值即為該物體的發射率。但採用此程序時,應確保測量物體溫度與環境溫度存在顯著差異。

使用參考材料

此方法中,需將已知發射率的參考材料施加於被測物體上,例如塗料或膠帶。透過調整相機中參考材料的發射率,並測量油墨/膠帶的溫度,即可首先確定物體溫度。 接著透過相機直接觀測被測物,反覆調整其輻射率直至讀數與參考材料一致,即可獲得被測物的實際輻射率。需特別注意:採用此法時,被測物溫度應與環境溫度存在顯著差異。

從相機訊號計算溫度(通量線性)

相機訊號與物體溫度之間的非線性關係可由下列公式描述:
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係數 R、B、F 基於物理普朗克函數。係數 O 描述訊號偏移量(偵測器特性)。這些係數的確定屬於出廠校準程序的一部分。相關係數可於相機屬性中的「輻射控制」群組下,透過 GenICam 節點進行查閱。
提示
鏡頭的更換會影響這些係數。若需更換鏡頭,建議重新校準。

大多數IRSX 型號可儲存兩組校準設定。此設計允許更換鏡頭時無需重新校準。鏡頭專屬的校準設定可於 GenICam 節點中選取,位置位於相機屬性「鏡頭控制群組下的鏡頭選擇器」。若出廠時未附替換鏡頭,相關校準設定預設儲存於 Lens1 設定中。 針對每組校準設定,您可透過「溫度範圍選擇器屬性在高溫與低溫量測範圍間切換。

在溫度計算中,必須考慮外部環境因素,例如環境溫度。物體溫度可根據以下公式計算:

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為從相機訊號計算溫度值,需取得R、B、F、O參數。這些參數可從相機讀取。此外,環境參數必須已知。

表格:參數

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在傳輸大氣層時,短距離可假設𝜏Atm= 1。若未安裝保護窗,可採用𝜏Lens= 1。欲從訊號值計算溫度,須先計算下列參數:

發射率的計算:

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環境輻射(Iamb)、大氣輻射(IAtm)及防護窗輻射(SAtm)之計算:
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輻射分量(K1K2)之計算:
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物件訊號(SObj)之計算:
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透過訊號SObj及參數 R、B 與 F,即可計算出物體溫度(單位:開爾文)。
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採用相機溫度線性化技術的溫度計算(TLinear)

IRSX系列可計算與物體溫度成正比的輸出訊號。該系列具備兩種精度等級,其差異在於動態特性。此功能可於GenICam節點中的「輻射測量像素格式設定區,於輻射測量控制」群組進行選取。

下圖顯示採用係數0.04進行溫度線性化的選項:

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假設像素中的訊號值為7600,溫度計算方式如下:

攝氏溫度

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攝氏溫度

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採用此方法測量溫度時,須在相機中設定環境參數,例如發射率、透射率及溫度值。相關設定位於 GenICam 節點的「輻射控制」區塊中。

發射率表


材料

表面

溫度 [°C]

發射率


拋光

20

0.04

氧化,強烈

20

0.83-0.94


拋光

100

0.05

氧化,強烈

20

0.78


鑄造,氧化

100

0.64

鏽跡斑斑的鐵皮

20

0.69-0.96


拋光

20

0.05

不鏽鋼(18-8)

拋光

20

0.16

氧化

60

0.85

鋼鐵

拋光

100

0.07

氧化

200

0.79

磚塊

紅色

20

0.93



20

0.93

混凝土

乾燥

35

0.95

玻璃

35

0.97

油,潤滑


17

0.87

0.03毫米薄膜

20

0.27

0.13毫米薄膜

20

0.72

厚塗層

20

0.82

油畫顏料

由16種顏色混合而成

20

0.94

紙張

白色

20

0.07-0.90

石膏


20

0.86-0.90

橡膠

黑色

20

0.95

人類皮膚


32

0.98

土壤

乾燥

20

0.92

飽和於水中

20

0.95


蒸餾

20

0.96

霜晶

-10

0.98


-10

0.85

無損檢測(NDT)

主動式熱成像作為一種無損檢測方法,能夠快速可靠地檢測出裂紋或分層等隱藏缺陷。為此,需透過外部能源對部件進行刺激與加熱。 隨後紅外線攝影機記錄表面溫度分佈,此分佈受材料內部不規則結構影響,從而產生高對比影像,實現精準的無接觸、高效且不損傷組件的品質控制。

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