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    淺析紅外熱像儀的精度與不確定性概念

    日期:2022-08-11 07:08
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    摘要:

    如果你不清楚測量儀器所導出測量數據的靈敏度和精度,便很難相信這些數據,紅外熱像儀常常會被歸到這一類測量儀器之中。而且,在討論紅外熱像儀的測量精度時,常常會用到一些令人困惑不已的誤導性復雜術語和行話,*終使一些研究人員完全避開這些工具,與其在研發熱測量應用領域所具有的潛在優勢失之交臂。在下文中,我們會避免使用技術術語,以直白的語言闡述紅外熱像儀在測溫方面的不確定性,讓你對此有基本的了解,從而幫助你理解紅外熱像儀校準流程和精度。

    熱像儀精度參數與不確定性方程式

    你可能會注意到,大多數紅外熱像儀的數據表上的精度參數會顯示為±2oC或讀數的2%。這一參數基于廣泛采用的稱作“平方和根值”(RSS)不確定性分析技術的結果。它的概念是計算溫度測量公式每個變量的局部誤差值,取每個誤差項的平方,然后將其全部相加,*后取其平方根值。雖然這個公式聽起來復雜,但其實很簡單。從另一方面來講,局部誤差值的確定可能會很難。

    “局部誤差”來自于典型紅外熱像儀溫度測量公式中多個變量中的一個,包括:

    • 發射率
    • 反射的環境溫度
    • 透過率
    • 大氣溫度
    • 熱像儀的響應值
    • 校準儀(黑體)的溫度精度

    一旦確定上述各個值的“局部誤差”響應值,那么整個誤差公式就是:

    其中,ΔT1、ΔT2、ΔT3...是測溫公式中變量的局部誤差值。

    為什么公式是這樣的? 事實證明,隨機的誤差值有時是在同一個方向上相加,使你離正確值的偏差越來越遠;有時,誤差值又是在相反方向上相加,相互抵消。所以,采用“平方和根值”是計算總誤差值*適合的方法,并一直作為FLIR紅外熱像儀數據表上顯示的參數。

    這里需要說明的是,目前所討論的計算值有效的條件是只有當熱像儀用于實驗室或戶外短距離范圍(20米以內)。由于大氣吸收因素,還有影響程度較小的發射率因素,距離變長會增加測量值的不確定性。當紅外熱像儀的研發工程師在實驗室條件下對大部分現代的紅外熱像儀系統采用“平方和根值”的分析方法時,所得結果近似為±2?C或2% — 因此成為熱像儀技術參數中使用的合理精度率。

    但是,實踐表明,像FLIR X6900sc這樣的高性能熱像儀比像FLIR E40這樣的經濟型熱像儀的精度效果要好,因此,我們仍需要做些工作來更好地解釋這一觀察結果。

    實驗室測量值和±1℃或1%精度

    在這一部分,我們探討在觀察已知發射率和溫度的物體時,熱像儀實際產生的溫度測量值。此類物體一般稱作“黑體”。在引用已知發射率和溫度的物體的理論概念前,你可能聽說過這個術語。黑體這一概念也用來描述一些實驗室設備。下圖顯示的是FLIR校準實驗室里1/4圈的2個以上腔式黑體。

    實驗室測量值的不確定性包括將經校準的熱像儀指向經校準的黑體,并繪制溫度隨時間變化的曲線。雖然經過仔細校準,但在測量中總會出現一些隨機誤差。所產生的數據集可以針對精度和**性進行量化。請參見圖2的校準黑體測量值結果。

    下圖中圖形顯示的是FLIR A325sc紅外熱像儀在室內距離0.3米觀測37℃黑體的2 小時以上的數據結果。熱像儀每秒記錄一次溫度。數據圖形是圖像中所有像素的平均值。數據直方圖雖然顯示得更清楚,但大部分的數據點都位于36.8 ?C至37 ?C之間。記錄的*寬溫度范圍是從36.6?C至37.2?C。

    我們來看下這個數據,所有像素平均值的預期精度可能達到0.5?C。有些人甚至可能會聲稱FLIR A325sc和使用相同探測器的任何其它熱像儀的精度為±1?C。不過,也有些人可能會辯稱,上面圖形顯示的是所有像素的平均值,可能并不能代表個別的像素。

    了解所有像素彼此有多一致的一種方法為觀察標準差和時間。如圖3所示。該圖形顯示出其典型的標準差小于0.1?C。突破到0.2?C左右的偶然情況也是因為熱像儀進行了單點校準。單點校準是自校準流程的一種類型,是所有采用微測輻射熱計的紅外熱像儀都必須定期執行的流程。

    到目前為止,我們討論的都是非制冷型微測輻射熱計紅外熱像儀采集的數據。那么高性能量子探測器紅外熱像儀的結果會有何不同?

    圖4顯示的是一臺采用銻化銦(InSb)探測器的典型3‐5μm紅外熱像儀(比如FLIR X6900sc)的響應值。該熱像儀的參數文檔中標明,該測試精度為±2?C或2%。在下圖中,你會發現數據在這些參數范圍內:當天的精度讀數約0.3?C,**性讀數約0.1?C。但為什么偏移誤差是在0.3?C? 這可能是因為黑體的校準、熱像儀的校準或第2節中提到的局部誤差術語造成的。另一種可能是熱像儀只在測量開始的時候進行了簡單的暖機。如果鏡頭或熱像儀機身內部沒有產生溫度變化,那么可能會抵消溫度測量值。

    我們從這兩個校準測試中可以得出這樣的結論,微測輻射熱計紅外熱像儀和光子計數量子探測器紅外熱像儀可能經過出廠校準,在典型的室內環境條件下,觀測已知發射率的37?C物體時的精度小于1?C。

    環境溫度補償

    出廠校準的一個*關鍵步驟是環境溫度補償。無論是熱探測器紅外熱像儀還是量子探測器紅外熱像儀,都會對落在探測器上的總紅外能量做出響應。如果熱像儀的設計精良,大部分能量都來自于物體:極少是來自熱像儀本身。但是,不可能完全消除探測器和光程周圍材料的影響。圖2 - 觀測37?C黑體時FLIR A325sc紅外熱像儀的典型響應值。圖3 - 觀測37?C黑體時FLIR A325sc紅外熱像儀的標準差。圖4 - 觀測35?C黑體時典型銻化銦紅外熱像儀的響應值。沒有適當的補償,機身或鏡頭的任何溫度變化都可能明顯改變熱像儀提供的溫度讀數。

    實現環境溫度補償*好的方法是從*多3個不同位置測量熱像儀和光程的溫度,然后將測量數據并入校準公式中。這樣可以確保整個工作溫度范圍的準確讀數(一般為-15℃至50℃)。這對將要用于室外的熱像儀來說尤為重要,否則的話便會受到溫度波動的影響。

    和環境溫度補償一樣重要的是,在進行關鍵測溫前要對熱像儀進行完全的預熱。同時,也要確保熱像儀和鏡頭沒有直接曝露于光照或其它熱源下。改變熱像儀和鏡頭的溫度會對測量的不確定性產生不利影響。

    我們應該注意到,并非所有的熱像儀制造商在他們的校準過程中都會進行環境溫度補償。如果對環境溫度偏移補償做的不好,這些熱像儀的數據可能出現明顯的錯誤—偏差可能在10?C以上。因此,在購買紅外熱像儀前,一定要詢問其有無進行過校準,以及如何執行的校準。

    其它測量值考量因素

    無論與熱像儀的校準有無直接的相關性,某些考量因素,如發射率和距離系數比都可能影響熱像儀的精度。發射率設置錯誤或測試條件不合適會影響熱像儀能否正確測量物體。

    發射率——或者說是物體發射而非反射紅外能量的能力——必須占比合理。這意味著要花時間確定物體的發射率以及將此信息輸入熱像儀。也意味著要注意物體是否完全反射,并在進行測量前是否要采取解決措施(如使用非反射涂層涂抹物體表面)。 所有的FLIR紅外熱像儀都提供了確定合適發射率的方法。如果你出錯了,FLIR研發軟件能夠幫助你在分析過程中(實時查看或后期分析)更改發射率。更改一般可以在整張圖像上進行,也可以按區域更改。

    另一個要考量的因素是距離系數比或覆蓋目標對象的每一個像素的區域大小。比方說,使用25°默認鏡頭的FLIR A325sc測量18米外點亮的火柴。每一個像素占總場景的大約1平方英寸面積。但火柴頭只有大約1/8平方英寸,遠小于覆蓋它的像素。撞擊該像素的幾乎所有紅外能量實際上都來自火柴灰燼背后的區域。只有1/64是我們要測量的灰燼部分。如果背景溫度為室溫話,熱像儀可能會明顯少報灰燼的溫度值。

    解決辦法是在熱像儀上裝一個望遠鏡頭或是將它向目標物移近,使灰燼的距離系數比接近1:1比例。如果我們想要獲得*近似的**溫度精度,必須確保*小的測量物體區域完全占據10×10以上的像素網格。不過,即使考慮了單個像素或3×3像素網格的距離系數比,你也可能已經很靠近真實的測量值。

    結論

    如我們所見,“平方和根值”的不確定性分析方法可以確定紅外熱像儀的精度,使這些熱像儀*多有2 ?C的邊際誤差。通過適當的校準和注意環境溫度、發射率、距離系數比等因素,邊際誤差可能小于1 ?C。

    *后要注意的一點是:本文中提供的信息主要基于出廠校準的紅外熱像儀。但用戶可以進行物理性的校準,根據所討論系統的不同,用戶校準所需的工具和方法也可能不盡相同。此外,如果能夠進行一次良好的用戶校準,那么您便可以進行自定義的不確定性分析——使本文中討論的通用參數不那么相關。

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