當(dāng)你無法清楚了解測量儀器所導(dǎo)出測量數(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)被歸到這一測量儀器的類別之中。而且，在討論紅外熱像儀的測量精度時(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)語和行話，最終使一些研究人員完全對(duì)這些工具繞行而走，與其在研發(fā)熱測量應(yīng)用所具有的潛在優(yōu)勢失之交臂。
在下面的文章中，我們會(huì)避免使用技術(shù)術(shù)語，以直白的語言闡述紅外熱像儀在測溫上的不確定性，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)公式聽起來復(fù)雜，但其實(shí)很簡單。從另一方面來講，局部誤差值的確定可能會(huì)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(gè)變量中的一個(gè)，包括：
● 發(fā)射率
● 反射的環(huán)境溫度
● 透過率大氣溫度
● 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，距離變長會(huì)增加測量值的不確定性。
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┕ぷ鱽砀玫亟忉屵@一觀察結(jié)果。
實(shí)驗(yàn)室測量值和±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，你可能聽說過這個(gè)術(shù)語。黑體的這一概念也用來指代一些實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。
圖1.位于美國佛羅里達(dá)州尼斯維爾的FLIR溫度記錄校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室。
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，并畫出隨時(shí)間變化的溫度變化。雖然經(jīng)過仔細(xì)的校準(zhǔn)，但在測量中總會(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)參見圖2的校準(zhǔn)黑體測量值結(jié)果。
圖2.觀測37 ?C黑體時(shí)典型FLIR A325sc紅外熱像儀的響應(yīng)值。
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等使用相同探測器的其他熱像儀的精度為±1 ?C。不過，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。
圖3.觀測37 ?C黑體時(shí)典型FLIR A325sc紅外熱像儀的標(biāo)準(zhǔn)差。
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器紅外熱像儀的結(jié)果會(huì)有何不同?
圖4.觀測35 ?C黑體時(shí)典型銻化銦紅外熱像儀的響應(yīng)值。
圖4顯示的是典型3‐5 μm帶銻化銦(InSb)探測器的紅外熱像儀，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)語造成的。另一種可能是熱像儀只在測量開始的時(shí)候進(jìn)行了簡單的暖機(jī)。如果光學(xué)鏡頭或機(jī)身的內(nèi)部沒有產(chǎn)生溫度變化，那么可能會(huì)抵消溫度測量值。
我們從這兩個(gè)校準(zhǔn)測試中可以得出這樣的結(jié)論，微測輻射熱計(jì)紅外熱像儀和光子計(jì)數(shù)量子探測器紅外熱像儀可能經(jīng)過出廠校準(zhǔn)，在典型的室內(nèi)環(huán)境條件下，觀測已知發(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)最關(guān)鍵步驟是環(huán)境溫度補(bǔ)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(huì)對(duì)落在探測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。沒有適當(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)。
FLIR Systems的校準(zhǔn)室。
實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度補(bǔ)償最好的方法是從最多3個(gè)不同位置測量熱像儀和光程的溫度，然后將測量數(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說尤為重要，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，在購買紅外熱像儀前，一定要詢問其有無進(jìn)行過校準(zhǔn)，以及如何執(zhí)行的校準(zhǔn)。
其他測量值考量因素
無論與熱像儀的校準(zhǔn)有無直接的相關(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)誤或測試條件不合適會(huì)影響熱像儀能否正確測量物體。
發(fā)射率——或者說是物體發(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，使用25°默認(rèn)鏡頭的FLIR A325sc測量60英尺外點(diǎn)亮的火柴。每一個(gè)像素占總場景的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)際上都來自火柴灰燼背后的區(qū)域。只有1/64是我們要測量的灰燼部分。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。可能使灰燼的距離系數(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， 必須確保最小的測量物體區(qū)域完全占據(jù)10x10以上的像素。不過，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)的測量值。
結(jié)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，使這些熱像儀最多有2 ?C的邊際誤差。通過適當(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。
高速FLIR X6900sc紅外熱像儀(左圖)與入門級(jí)FLIR A325sc紅外熱像儀(右圖)的精度都是±2 ?C或2%。
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。
