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熱成像與輻射測量特性

深入探討熱成像的原理,以及使用紅外線攝影機進行精確溫度測量所必需的輻射特性。了解影響視野範圍與發射率的各項因素,以及環境條件如何影響紅外線讀數的精確度。

視野與溫度測量

下圖顯示了水平(HFOV)與垂直(VFOV)視場。根據相機與被觀測場景之間的距離,場景的最大寬度會隨之增加。隨著距離增加,待測量物體的分辨率也會隨之改變。
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由於真實光學系統會產生難以避免的模糊,因此被測物體的大小應至少為 3 像素,才能獲得準確的測量結果。

輻射溫度測量的熱成像原理

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相關內容。使用 IRSX 進行溫度測量的前提是攝影機必須經過校準。此項設定可透過攝影機屬性中的「GenICam Nodes Radiometric Control」來確認。

IRSX 系列相機專門配備熱感測器。這些感測器的關鍵特點在於,其感測結果與物體輻射至偵測器上的輻射能量呈直接正比關係。輻射能量與物體溫度呈非線性關係,且會受到環境條件及物體參數的影響。

為了能夠透過物體的紅外線輻射來測量其溫度,必須了解測量情境中的某些參數。最重要的參數如下圖所示。

輻射率

輻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本的要素之一。實際上,常見的數值範圍介於 0.1(例如拋光金屬表面)至 0.98(例如人體皮膚)之間。
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在考慮觀測場景的情況下,物體溫度與相機信號SDet之間的函數關係可由下列公式描述:
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為了計算物體溫度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以下所述的方法進行初步估算。該物體的溫度必須與環境溫度有顯著差異。為方便您參考,附錄中提供了一份列有各種材料典型發射率值的表格(請參閱「發射率表」一節)。

使用熱電偶測量物體溫度

一種用於暫時測定發射率的簡單方法,是利用熱電偶測量物體某一點的溫度。接著將紅外線相機對準物體上的同一點,並調整發射率,直到相機顯示的溫度與熱電偶測得的數值相符為止。 此時設定的數值即為物體的發射率。然而,採用此程序時,應確保被測物體的溫度與環境溫度存在顯著差異。

使用參考資料

在此方法中,需將輻射率已知的參考材料施加於被測物體上。例如,這可以是油漆或一段膠帶。透過在相機上調整參考材料的輻射率,並測量油墨/膠帶的溫度,即可首先確定物體的溫度。 要獲得被測物體的發射率,需將相機對準物體本身,並調整發射率參數,直到讀取到的溫度與參考材料的溫度讀數相同為止。同樣地,採用此方法時,物體溫度應與環境溫度有顯著差異。

根據相機訊號計算溫度(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 基於物理上的普朗克函數。係數 O 描述訊號偏移(偵測器的特性)。這些係數的確定是工廠校準的一部分。這些係數可在 GenICam Nodes 的相機屬性中,於「輻射測量控制」群組下找到。
提示
更換鏡頭會影響這些係數。若必須更換鏡頭,建議重新校準。

大多數IRSX 型號可儲存兩組校準資料。此功能可讓您在更換鏡頭時無需重新校準。各鏡頭對應的校準資料組,可於 GenICam 節點中,透過相機屬性「鏡頭選取器(位於鏡頭控制」群組)進行選取。若出貨時未附帶替換鏡頭,相關校準資料組預設會儲存於 Lens1 下。 針對每個校準組,您可以透過「溫度範圍選擇器屬性,在高溫與低溫測量範圍之間切換。

在溫度計算中,必須將環境溫度等外部環境因素納入考量。物體溫度可依照以下公式計算:

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為了根據相機訊號計算溫度值,需要 R、B、F、O 這些參數。這些參數可從相機讀取。此外,還必須知道環境參數。

表格:參數

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在短距離傳輸時,可假設大氣透射率𝜏Atm= 1。若未安裝保護窗,則可採用透鏡透射率𝜏Lens= 1。若要根據訊號值計算溫度,必須先計算以下參數。

輻射率的計算:

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環境輻射(Iamb)、大氣輻射(IAtm)及防護窗輻射(SAtm)的計算:
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輻射分量(K1K2)的計算:
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物體訊號 (SObj) 的計算:
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利用訊號SObj以及參數 R、B 和 F,即可計算出物體溫度(單位為開爾文)。
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採用相機溫度線性化 (TLinear) 的溫度計算

IRSX 系列可計算出與物體溫度成正比的輸出訊號。該系列提供兩種精度等級,兩者在動態範圍上有所不同。此功能可在 GenICam 節點的「輻測像素格式」下,於輻測控制」群組進行選取。

下圖顯示了選用係數為 0.04 的溫度線性化設定:

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假設像素中的訊號值為 7600,則溫度計算方式如下:

攝氏溫度(開爾文)

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攝氏溫度

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若要使用此方法測量溫度,必須在相機中設定環境參數,例如輻射率、透射率及溫度。您可在 GenICam 節點的「輻射測量控制」中找到這些設定。

輻射率表


材料

Surface

溫度 [°C]

輻射率


拋光過的

20

0.04

氧化,強烈地

20

0.83–0.94


拋光過的

100

0.05

氧化,強烈地

20

0.78


鑄造、氧化

100

0.64

鋼板,嚴重生鏽

20

0.69–0.96


拋光過的

20

0.05

不鏽鋼(18-8)

拋光過的

20

0.16

氧化

60

0.85


拋光過的

100

0.07

氧化

200

0.79


紅色

20

0.93



20

0.93

混凝土

乾燥

35

0.95

玻璃

35

0.97

機油、潤滑油


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 種顏色調配而成

20

0.94

論文

白色

20

0.07–0.90

石膏


20

0.86–0.90

橡膠

黑色

20

0.95

人體皮膚


32

0.98

土壤

乾燥

20

0.92

飽和

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,能夠快速且可靠地檢測出裂紋或分層等隱藏缺陷。為此,會透過外部能源對元件進行激發並加熱。 隨後,紅外線攝影機會記錄表面溫度分布,而該分布會受到材料內部不規則結構的影響。這將產生高對比度的影像,從而實現精確的品質控制——無需接觸、高效且不會對元件造成任何損害。

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