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热成像与辐射特性

了解热成像原理以及使用红外热像仪进行精确测温所必需的辐射特性。了解影响视场角和发射率的因素,以及环境条件如何影响红外测温的精度。

视场与温度测量

下图显示了水平视场角(HFOV)和垂直视场角(VFOV)。根据相机与被观测场景之间的距离,场景的最大宽度会随之增加。随着距离的增加,待测物体的分辨率也会发生变化。
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由于真实光学系统会产生不可避免的模糊,因此被测物体的尺寸应至少为3像素,才能获得准确的测量结果。

热成像测定辐射温度的原理

本章旨在简要概述使用红外摄像机进行辐射温度测量的相关内容。使用 IRSX 进行温度测量的前提是摄像机已完成校准。这可通过摄像机属性中的 GenICam Nodes Radiometric Control 进行确认。

IRSX 系列相机专为配备热成像传感器而设计。这些传感器的核心特性在于,探测器上接收到的来自物体的辐射能量与其温度之间存在直接的线性关系。辐射能量与物体温度呈非线性关系,且受环境条件及物体参数的影响。

为了能够通过物体的红外辐射来测量其温度,必须了解测量场景中的某些参数。下图所示即为最重要的参数。

发射率

发射率取决于多个物体属性,例如材料、表面状况、观测角度,以及物体本身的温度。因此,该参数是热成像测温中最基础的参数之一。实际应用中,其数值通常在0.1(例如抛光金属表面)到0.98(例如人体皮肤)之间。
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在考虑观测场景的情况下,物体温度与相机信号SDet之间的函数关系由以下公式描述:
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为了计算物体温度TObj,必须对相机信号SDet进行校正,以消除环境因素的影响。

物体发射率的测定

物体的发射率可通过下文所述的方法进行初步测定。该物体的温度必须与环境温度有显著差异。为便于参考,附录中提供了不同材料典型发射率的对照表(参见“发射率表”一节)。

使用热电偶测量物体温度

一种简便的临时测定发射率的方法是:使用热电偶测量物体某一点的温度。随后将红外热像仪对准物体上的同一点,并调整发射率,直到热像仪显示的温度与热电偶测得的数值相符。 此时设定的数值即为物体的发射率。但采用此方法时,应确保被测物体的温度与环境温度存在显著差异。

使用参考材料

在此方法中,需在被测物体上覆盖一种已知发射率的参考材料,例如油漆或胶带。通过在热像仪上调整参考材料的发射率,并测量油墨或胶带的温度,即可首先确定物体的温度。 要获得被测物的发射率,需用摄像头直接对准被测物,并不断调整发射率参数,直至测得的温度读数与参考材料的温度读数一致。同样地,采用此方法时,被测物的温度应与环境温度存在显著差异。

根据摄像头信号计算温度(通量线性)

摄像机信号与物体温度之间的非线性关系可用以下公式描述:
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系数 R、B、F 基于物理普朗克函数。系数 O 描述了信号偏移(探测器的特性)。这些系数的确定是工厂校准的一部分。这些系数可在 GenICam Nodes 的相机属性中,位于“辐射计量控制”组下找到。
提示
更换镜头会影响这些系数。如果必须更换镜头,建议重新校准。

大多数IRSX 型号可存储两组校准数据。这使得更换镜头时无需重新校准。在 GenICam 节点中,可通过“镜头控制”组下的“镜头选择器相机属性选择属于各镜头的校准数据。如果交付时未附带备用镜头,相关校准数据默认存储在 Lens1 下。 对于每个校准集,您可以通过“温度范围选择器”(Temperature Range Selector属性在高温和低温测量范围之间进行切换。

在温度计算中,必须考虑环境温度等外部环境因素。物体温度可按以下公式计算:

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为了根据摄像头信号计算温度值,需要R、B、F、O这四个参数。这些参数可从摄像头中读取。此外,还必须已知环境参数。

表:参数

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对于大气透射率,在短距离情况下可假设𝜏Atm= 1。如果未安装保护窗,可采用𝜏Lens= 1。要根据信号值计算温度,必须先计算以下参数。

发射率的计算:

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环境辐射(Iamb)、大气辐射(IAtm)和防护窗辐射(SAtm)的计算:
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辐射分量(K1K2)的计算:
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目标信号(SObj)的计算:
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利用信号SObj以及参数 R、B 和 F,可以计算出物体的温度(单位为开尔文)。
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使用相机温度线性化(TLinear)进行温度计算

IRSX 系列可计算出与物体温度成正比的输出信号。该系列提供两种精度级别,其动态范围各不相同。该功能可在 GenICam 节点中的“辐射测量像素格式”下,通过“辐射测量控制进行选择。

下图显示了采用系数 0.04 的温度线性化选择:

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假设像素中的信号值为7600,则温度计算如下:

开尔文温度

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摄氏温度

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若要使用此方法测量温度,必须在相机中设置环境属性,例如发射率、透射率和温度。您可以在 GenICam 节点下的“辐射测量控制”中找到这些设置。

辐射率表


材料

Surface

温度 [°C]

发射率


打磨过的

20

0.04

氧化,强烈

20

0.83-0.94


打磨过的

100

0.05

氧化,强烈

20

0.78


铸造、氧化

100

0.64

钢板,严重生锈

20

0.69–0.96


打磨过的

20

0.05

不锈钢(18-8)

打磨过的

20

0.16

氧化

60

0.85


打磨过的

100

0.07

氧化

200

0.79


红色

20

0.93



20

0.93

混凝土


35

0.95

玻璃

35

0.97

油、润滑油


17

0.87

0.03毫米薄膜

20

0.27

0.13毫米薄膜

20

0.72

厚涂层

20

0.82

油画颜料

16种颜色混搭

20

0.94

论文

白色

20

0.07-0.90

石膏


20

0.86-0.90

橡胶

黑色

20

0.95

人体皮肤


32

0.98

土壤


20

0.92

饱和

20

0.95


蒸馏

20

0.96

霜晶

-10

0.98


-10

0.85

无损检测(NDT)

作为一种无损检测方法,主动式热成像能够快速、可靠地检测出裂纹或分层等隐蔽缺陷。为此,需通过外部能源对被测部件进行加热。 随后,红外热像仪会记录表面温度分布,该分布受材料内部不规则性的影响。由此生成的对比度极高的图像,能够实现精准的质量控制——非接触式、高效且不会对部件造成任何损伤。

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