在我們的工作中所用到的測(cè)量?jī)x器，如果不清楚其所導(dǎo)出測(cè)量數(shù)據(jù)的靈敏度和精度，這些數(shù)據(jù)就很難作為依據(jù)。在討論紅外熱像儀的測(cè)量精度時(shí)，由于某些復(fù)雜術(shù)語(yǔ)和行話，可能會(huì)讓研究人員避開(kāi)熱像儀，從而失去熱成像技術(shù)在研發(fā)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。下面，小菲將用通俗易懂的語(yǔ)言闡述紅外熱像儀在測(cè)溫方面的不確定性，幫助你更好地理解紅外熱像儀的標(biāo)定流程和精度。
1、熱像儀精度參數(shù)與不確定性方程式
仔細(xì)觀察你會(huì)發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)紅外熱像儀的數(shù)據(jù)表上的精度參數(shù)顯示為±2oC或讀數(shù)的±2%。這一參數(shù)是基于廣泛采用的名為“平方和根值”(RSS)的不確定性分析技術(shù)結(jié)果。
它的概念是計(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
● 大氣溫度及大氣透射率
● 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：
其中，ΔT1、ΔT2、ΔT3...是測(cè)溫公式中變量的局部誤差值。
為什么公式是這樣的? 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“平方和根值”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)表上顯示的參數(shù)。
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?xún)?nèi))。由于大氣吸收因素，還有影響程度較小的大氣發(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%，因此成為熱像儀技術(shù)參數(shù)中使用的合理精度率。
但是，實(shí)踐表明，諸如FLIR X6900sc這樣的高性能熱像儀比像FLIR E40這樣的經(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。
2、實(shí)驗(yàn)室測(cè)量值和±1℃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(lèi)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。
FLIR校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室里1/4圈的2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)下圖中的校準(zhǔn)黑體測(cè)量值結(jié)果。
觀測(cè)37?C黑體時(shí)典型FLIR A325sc紅外熱像儀的響應(yīng)值
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Q(chēng)FLIR 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(chēng)，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是觀察標(biāo)準(zhǔn)差和時(shí)間。
觀測(cè)37 ?C黑體時(shí)典型FLIR A325sc紅外熱像儀的標(biāo)準(zhǔn)差（A325 SN 0463，1fps速率，37℃的黑體，1英尺距離，320240圖像的標(biāo)準(zhǔn)偏差）
上圖顯示出其典型的標(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(lèi)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？
觀測(cè)35 ?C黑體時(shí)典型銻化銦紅外熱像儀的響應(yīng)值
上圖顯示的是典型3‐5μm帶銻化銦(InSb)探測(cè)器的紅外熱像儀，比如FLIRX6900sc。該熱像儀的參數(shù)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)在這些參數(shù)范圍內(nèi)：當(dāng)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。
3、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(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?chē)牧系挠绊憽](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)。
Teledyne 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(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。甚至偏差可能在10?C以上。因此，在購(gòu)買(mǎi)紅外熱像儀前，一定要詢(xún)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)。
4、其他測(cè)量時(shí)要考慮的因素
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，可以在整個(gè)圖像上進(jìn)行更改，也可以按區(qū)域更改。
距離系數(shù)比
除此之外，還有覆蓋目標(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18米外點(diǎn)亮的火柴。每一個(gè)像素占總場(chǎng)景大約1平方英寸的面積，但火柴頭只有大約1/8平方英寸，遠(yuǎn)小于覆蓋它的像素。撞擊該像素的幾乎所有紅外能量實(shí)際上都來(lái)自火柴火焰背后的區(qū)域。只有1/64是我們要測(cè)量的火柴頭部分，如果背景溫度為室溫的話，熱像儀可能會(huì)明顯少報(bào)火焰燃燒的溫度值。
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，可能使火柴頭到鏡頭的距離系數(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)1010以上的像素。不過(guò)，如果考慮了單個(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。
5、自定義不確定性分析
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。
高速FLIR X6900sc紅外熱像儀(左圖)與入門(mén)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。對(duì)于紅外熱像儀的精度與不確定性概念，你理解透徹了嗎？
