當(dāng)你無(wú)法清楚了解測(cè)量?jī)x器所導(dǎo)出測(cè)量數(shù)據(jù)的敏感性級(jí)別和精度，便很難相信這些數(shù)據(jù)，紅外熱像儀常常會(huì)被歸到這一測(cè)量?jī)x器的類別之中。而且，在討論紅外熱像儀的測(cè)量精度時(shí)，常常會(huì)用到一些令人困惑不已、產(chǎn)生誤解的復(fù)雜術(shù)語(yǔ)和行話，最終使一些工程師完全對(duì)這些工具繞行而走，與其在研發(fā)熱測(cè)量應(yīng)用所具有的潛在優(yōu)勢(shì)失之交臂。

  在下面的文章中，我們會(huì)避免使用技術(shù)術(shù)語(yǔ)，以直白的語(yǔ)言闡述紅外熱像儀在測(cè)溫上的不確定性，讓你對(duì)此有基本的了解，從而幫助你理解紅外熱像儀標(biāo)定流程和精度。

熱像儀精度規(guī)格與不確定性方程式

  你可能會(huì)注意到，大多數(shù)紅外熱像儀的數(shù)據(jù)規(guī)格手冊(cè)上的精度規(guī)格會(huì)顯示為±2?C或讀數(shù)的2%。這一規(guī)格數(shù)據(jù)是基于廣泛采用的名為“平方和根值”(RSS)不確定性分析技術(shù)結(jié)果。

  它的概念是一個(gè)計(jì)算溫度測(cè)量公式每個(gè)變量的局部誤差值，取每個(gè)誤差項(xiàng)的平方，然后將其全部相加，最后取其平方根值。雖然這個(gè)公式聽(tīng)起來(lái)復(fù)雜，但其實(shí)很簡(jiǎn)單。從另一方面來(lái)講，局部誤差值的確定可能會(huì)很難。

  “局部誤差”來(lái)自于典型紅外熱像儀溫度測(cè)量公式中多個(gè)變量中的一個(gè)，包括：

• 發(fā)射率

• 反射的環(huán)境溫度

• 透過(guò)率大氣溫度

• 熱像儀的響應(yīng)值

• 校準(zhǔn)器(黑體)的溫度精度

  一旦確定上述各個(gè)值的“局部誤差”響應(yīng)值，那么整個(gè)誤差公式就是：總誤差= √?T12+?T22+?T32 …以此類推其中，?T1、?T2、?T3...是測(cè)溫公式中變量的局部誤差值。

  那為何公式是這樣的？事實(shí)證明，隨機(jī)的誤差值有時(shí)是在同一個(gè)方向上相加，使你離正確值的偏差越來(lái)越遠(yuǎn)； 有時(shí)，誤差值又是在相反方向上相加，相互抵消。所以，采用“平方和根植”是計(jì)算總誤差值最適合的方法，并一直作為FLIR紅外熱像儀數(shù)據(jù)規(guī)格表上的顯示數(shù)據(jù)。

  這里需要說(shuō)明的是，目前所討論的計(jì)算值有效的條件是只有當(dāng)熱像儀用于實(shí)驗(yàn)室或戶外短距離范圍(20米以內(nèi))。由于大氣吸收因素，還有影響程度較小的發(fā)射率因素，距離變長(zhǎng)會(huì)增加測(cè)量值的不確定性。

  當(dāng)紅外熱像儀的研發(fā)工程師在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)大部分現(xiàn)代的紅外熱像儀系統(tǒng)采用“平方和根值”的分析方法時(shí)，所得結(jié)果近似為±2?C或2%—因此成為熱像儀規(guī)格參數(shù)中使用的合理精度率。

  但是，實(shí)踐表明，諸如FLIR X6900sc的高性能的熱像儀比FLIR E40的經(jīng)濟(jì)型熱像儀的精度效果要好，因此，我們?nèi)孕枰鲂┕ぷ鱽?lái)更好地解釋這一觀察結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)室測(cè)量值和±1?C或1%精度

  我們發(fā)現(xiàn)在觀察已知發(fā)射率和溫度的物體時(shí)，熱像儀實(shí)際產(chǎn)生的溫度測(cè)量值。此類物體一般指代為“黑體”。在引用已知發(fā)射率和溫度的物體的理論概念前，你可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)這個(gè)術(shù)語(yǔ)。黑體的這一概念也用來(lái)指代一些實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。

圖1顯示的是FLIR校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室里1/4圈的21個(gè)以上腔式黑體。

  實(shí)驗(yàn)室測(cè)量值的不確定性包括將校準(zhǔn)熱像儀指向校準(zhǔn)的黑體，并畫(huà)出隨時(shí)間變化的溫度變化。雖然經(jīng)過(guò)仔細(xì)的校準(zhǔn)，但在測(cè)量中總會(huì)出現(xiàn)一些隨機(jī)誤差。所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)集可以對(duì)精度和精確性進(jìn)行量化。請(qǐng)參見(jiàn)圖2的校準(zhǔn)黑體測(cè)量值結(jié)果。

圖2的圖形顯示的是FLIR A325sc紅外熱像儀在室內(nèi)距離0.3米觀測(cè)37?C黑體的2小時(shí)以上的數(shù)據(jù)結(jié)果。

  熱像儀每秒記錄一次溫度。數(shù)據(jù)圖形是圖像中所有像素的平均值。數(shù)據(jù)直方圖雖然顯示得更清楚，但大部分的數(shù)據(jù)點(diǎn)都位于36.8?C至37?C之間。記錄的最寬溫度范圍是從36.6?C至37.2?C。

  我們來(lái)看下這個(gè)數(shù)據(jù)，所有像素平均值的預(yù)期精度可能達(dá)到0.5?C。有些人可能甚至?xí)暦QFLIR A325sc等使用相同探測(cè)器的其他熱像儀的精度為±1?C。不過(guò)，也有些人可能會(huì)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)差和時(shí)間。

如圖3所示。該圖形顯示出其典型的標(biāo)準(zhǔn)差小于0.1?C。

  突破到0.2?C左右的偶然情況也是因?yàn)闊嵯駜x進(jìn)行了單點(diǎn)校準(zhǔn)。單點(diǎn)校準(zhǔn)是自校準(zhǔn)流程中的一種類型，是所有采用微測(cè)輻射熱計(jì)的紅外熱像儀都必須定期執(zhí)行的流程。

  到目前為止，我們討論的都是非制冷型微測(cè)輻射熱計(jì)紅外熱像儀采集的數(shù)據(jù)。那么高性能量子探測(cè)器紅外熱像儀的結(jié)果會(huì)有何不同？

  圖4顯示的是典型3‐5µm帶銻化銦(InSb)探測(cè)器的紅外熱像儀，比如FLIRX6900sc。該熱像儀的規(guī)格文檔中標(biāo)明，該測(cè)試精度為±2?C或2%。你會(huì)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)在這些規(guī)格范圍內(nèi)：該天的精度讀數(shù)約0.3?C，精確性讀數(shù)約0.1?C。但為什么偏移誤差是在0.3?C，這可能是因?yàn)楹隗w的校準(zhǔn)、熱像儀的校準(zhǔn)或第2節(jié)中提到的局部誤差術(shù)語(yǔ)造成的。另一種可能是熱像儀只在測(cè)量開(kāi)始的時(shí)候進(jìn)行了簡(jiǎn)單的暖機(jī)。如果光學(xué)鏡頭或機(jī)身的內(nèi)部沒(méi)有產(chǎn)生溫度變化，那么可能會(huì)抵消溫度測(cè)量值。

  我們從這兩個(gè)校準(zhǔn)測(cè)試中可以得出這樣的結(jié)論，微測(cè)輻射熱計(jì)紅外熱像儀和光子計(jì)數(shù)量子探測(cè)器紅外熱像儀可能經(jīng)過(guò)出廠校準(zhǔn)，在典型的室內(nèi)環(huán)境條件下，觀測(cè)已知發(fā)射率的37?C物體時(shí)的精度小于1?C。

環(huán)境溫度補(bǔ)償

  出廠校準(zhǔn)的一個(gè)關(guān)鍵步驟是環(huán)境溫度補(bǔ)償。無(wú)論是熱探測(cè)器紅外熱像儀還是量子探測(cè)器紅外熱像儀，都會(huì)對(duì)落在探測(cè)器上的總紅外能量做出響應(yīng)。如果熱像儀的設(shè)計(jì)精良，大部分能量都來(lái)自于物體：極少是來(lái)自熱像儀本身。但是，不可能完全消除探測(cè)器和光程周圍材料的影響。沒(méi)有適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，機(jī)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(shù)。

  實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度補(bǔ)償最好的方法是從最多3個(gè)不同位置測(cè)量熱像儀和光程的溫度，然后將測(cè)量數(shù)據(jù)并入校準(zhǔn)公式中。這樣可以確保整個(gè)工作溫度范圍的準(zhǔn)確讀數(shù)(一般為-15?C至50?C)。這對(duì)將要用于室外的熱像儀來(lái)說(shuō)尤為重要，否則的話便會(huì)受到溫度波動(dòng)的影響。和環(huán)境溫度補(bǔ)償一樣重要的是，在進(jìn)行關(guān)鍵測(cè)溫前要對(duì)熱像儀進(jìn)行完全的預(yù)熱。同時(shí)，也要確保熱像儀和鏡頭沒(méi)有直接曝露于光照或其他熱源下。改變熱像儀和光學(xué)鏡頭的溫度會(huì)對(duì)測(cè)量的不確定性產(chǎn)生不利影響。

  我們應(yīng)該注意到，并非所有的熱像儀制造商在他們的校準(zhǔn)過(guò)程中都會(huì)進(jìn)行環(huán)境溫度補(bǔ)償。如果對(duì)環(huán)境溫度偏移補(bǔ)償做的不好，這些熱像儀的數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)明顯的錯(cuò)誤—偏差可能在10?C以上。因此，在購(gòu)買紅外熱像儀前，一定要詢問(wèn)其有無(wú)進(jìn)行過(guò)校準(zhǔn)，以及如何執(zhí)行的校準(zhǔn)。

其他測(cè)量值考量因素

  無(wú)論與熱像儀的校準(zhǔn)有無(wú)直接的相關(guān)性，某些考量因素，如發(fā)射率和距離系數(shù)比都可能影響熱像儀的精度。發(fā)射率設(shè)置錯(cuò)誤或測(cè)試條件不合適會(huì)影響熱像儀能否正確測(cè)量物體。

  發(fā)射率——或者說(shuō)是物體發(fā)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(shí)間確定物體的發(fā)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(jìn)行測(cè)量前是否要采取解決措施(如使用不反射涂層涂抹物體表面)。 所有的FLIR紅外熱像儀都提供了合適發(fā)射率的定義方法。如果你出錯(cuò)了，F(xiàn)LIR研發(fā)軟件能夠幫助你在分析過(guò)程中(實(shí)時(shí)查看或后期分析)更改發(fā)射率。更改可以在整個(gè)圖像上進(jìn)行，也可以按區(qū)域更改。

  另一個(gè)要考量的因素是距離系數(shù)比或覆蓋目標(biāo)對(duì)象的每一個(gè)像素的區(qū)域大小。比方說(shuō)，使用25°默認(rèn)鏡頭的FLIR A325sc測(cè)量60英尺外點(diǎn)亮的火柴。每一個(gè)像素占總場(chǎng)景的1平方英寸面積。但火柴頭只有1/8平方英寸，遠(yuǎn)小于它所覆蓋的像素。幾乎像素中所有明顯的紅外能量實(shí)際上都來(lái)自火柴灰燼背后的區(qū)域。只有1/64是我們要測(cè)量的灰燼部分。如果背景是室內(nèi)溫度的話， 熱像儀報(bào)告的溫度值可能會(huì)低于灰燼的溫度值。

  解決辦法是在熱像儀上裝一個(gè)望遠(yuǎn)鏡頭或是將它向目標(biāo)物移近?？赡苁够覡a的距離系數(shù)比接近1:1比例。如果我們想要獲得最近似的絕對(duì)溫度精度，必須確保最小的測(cè)量物體區(qū)域完全占據(jù)10x10以上的像素。不過(guò)，即使考慮了單個(gè)像素或3 x 3像素網(wǎng)格的距離系數(shù)比，你也可能已經(jīng)很靠近真實(shí)的測(cè)量值。

結(jié)論

  如我們所見(jiàn)，“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，使這些熱像儀最多有2?C的邊際誤差。通過(guò)適當(dāng)?shù)男?zhǔn)和注意環(huán)境溫度、發(fā)射率、距離系數(shù)比等因素，邊際誤差可能小于1?C。

  最后要注意的一點(diǎn)是：本文中提供的信息主要基于出廠校準(zhǔn)的紅外熱像儀。但用戶可以進(jìn)行物理性的校準(zhǔn)，根據(jù)所討論系統(tǒng)的不同，用戶校準(zhǔn)所需的工具和方法也可能各異。此外，如果能夠進(jìn)行一次良好的用戶校準(zhǔn)，那么您便可以進(jìn)行自定義的不確定性分析。