熱像儀應用高速汽車測試

高速紅外熱像儀有助于改善設計階段測試

內燃機、剎車片和輪胎以及高速安全氣囊產品研發僅是能真正受益于高速、高靈敏度熱特性測試的少數幾個領域。不幸的是，傳統的接觸式溫度測量工具（如熱電偶）無法固定在移動物體上，并且非接觸式溫度測量工具（如點溫槍甚至均流紅外熱像儀）根本不足以定格這些高速目標以測得的溫度測量值。

沒有合適的工具進行充分的熱測量與測試，汽車設計工程師會損失時間和效率，且面臨著遺漏會導致危險產品和高代價召回的缺陷的風險。例如，美國汽車制造商近因安全氣囊故障（從乘客激活系統有微裂紋到充氣泵故障）召回了數百萬輛汽車、多用途跑車和卡車。這些有缺陷的系統不僅會給司機帶來危險，而且有損制造商的盈虧底線，這會導致制造商面臨訴訟、罰款和公信力喪失。

新一代紅外熱像儀技術為工程師提供了一種解決方案。這些熱像儀配備640×512像素的高分辨率探測器，能以1000幀/秒的速度捕獲圖像。此外，所采用的新型探測器材料，如應變層超晶格（SLS），具有較寬的溫度量程，而且與之前的碲鎘汞（MCT）和量子阱紅外探測器（QWIP）材料相比，具有更出色的均勻性和量子效率。這些新技術，連同遠程同步與觸發能力，為工程師和技術人員提供了克服高速汽車測試困難所需的的工具。

高速挑戰

測量快速移動目標的溫度充滿挑戰。傳統的溫度測量形式，如熱電偶，對于運動中的系統不切實際。像點溫儀這樣的非接觸式溫度測量工具缺乏測得快速移動目標的讀數或準確描述高速目標的熱特性所必需具備的快速響應速率。

配備非制冷型微測輻射熱計探測器的紅外熱像儀也無法在*速度下測量溫度。這些熱像儀具有較長的曝光時間，會導致熱圖像模糊不清。為了可視化快速移動目標并測量其溫度讀數，您需要一臺具有較短曝光時間和快速幀頻的制冷型紅外熱像儀。讓我們研究這兩種類型的探測器，以更好理解它們用于高速熱測量的各自優點和缺點。

熱探測器與量子探測器

熱探測器和量子探測器之間的差異可以歸結為傳感器將紅外輻射轉化成數據的方式。諸如非制冷型微測輻射熱計這樣的熱探測器對入射輻射能起作用。紅外輻射加熱像素，造成溫度變化，這反映在電阻變化中。非制冷型微測輻射熱計熱像儀的優點有：經久耐用，輕巧便攜和價格實惠。然而其缺點在于慢速幀頻——大約60幀每秒——和較慢的響應時間（時間常數）。正因為如此，非制冷型微測輻射熱計無法生成快速移動目標的清晰定格圖像。而是，較慢的幀頻和響應時間導致圖像模糊不清，終引起溫度讀數不。此外，慢速幀頻還導致這些熱像儀無法準確描繪快速升溫目標的特征。

相比之下，由銻化銦（InSb）、銦鎵砷化物（InGaAs）或應變層超晶格（SLS）制成的量子探測器為光電型。探測器的晶體結構吸收光子，這些光子將其電子躍遷至更高能態；這改變了材料的導電率。冷卻這些探測器會使其對紅外輻射極為敏感，其中某些探測器能檢測到不到18 mK或0.018°C的溫差。此外，量子探測器對溫度變化反應迅速，時間常數達到微秒級，而不是毫秒級。這一特點與較短的曝光時間和高幀頻相結合，使得量子探測器非常適合對高速運動目標進行定格攝影，從而測得目標的溫度值，正確描述快速升溫目標的溫度隨時間上升特性。這些紅外熱像儀通常價格更貴，體積也比非制冷型微測輻射熱計熱像儀更大：這些可能是某些研究團隊需要考慮的因素。

不止于快幀頻

正如前面略微提及的那樣，以幾十萬幀每秒的幀頻記錄的能力僅是定格攝影的部分要求。該方程式的另一元素為積分時間，或者熱像儀收集每幀數據所需的時間。

積分時間類似于數碼相機的快門速度。如果快門打開時間過長，數碼相機捕獲的圖像中的任何運動都會模糊不清。同樣地，具有較長積分時間的紅外熱像儀記錄的運動對象會模糊不清。例如在圖像中，一只彈跳的球看起來就像一顆彗星——后面拖著運動軌跡。

一臺熱像儀具有的模擬轉換器或信道數目，以及在高速狀態下處理像素的能力也很重要。高速紅外熱像儀通常擁有至少16個信道和至少200百萬像素/秒的處理速度——即像素時鐘頻率。相比之下，大多數低性能紅外熱像儀僅擁有4個信道，以50百萬像素/秒以下的像素時鐘頻率運行。

檢測目標的溫度會影響積分速度，并終影響數字計數。熱像儀將數字計數轉換成用于測得目標溫度讀數的輻射值。較熱的目標發出更多的紅外輻射能量，因此發射的光子也更多，而較冷的目標發射較少的光子。此處的挑戰在于如何以較快幀頻測量較冷目標的溫度，因為快幀頻要求更短的積分時間。

讓問題變得更復雜的事實是老款探測器——采用上一代讀出集成電路（ROIC）——在較低勢阱填充條件下是非線性的。這導致非均勻性校正功能失效，進而引起較差的成像質量和不可靠的溫度測量精度。如今，憑借新一代ROIC設計，探測器可為低勢阱填充提供線性，允許高速（短積分時間）測量較冷目標。這就是為什么高速紅外熱像儀配備能對低勢阱填充作出線性響應的新一代ROIC至關重要。

抓準時機

另一項需要考慮的因素是熱像儀同步和觸發外部事件的能力，如與旋轉的制動盤和燃燒發動機的點火同步。當熱像儀系統按內部時鐘運行，探測器的積分起點和數據輸出由時鐘確定。如果無法準確對應積分時間，可能會錯過事件的某些部分或整個事件。一個獨立的觸發系統有助于通過嚴格控制積分開始時間和幀頻更好地同步記錄。非制冷型微測輻射熱計探測器不具備這種能力，因為它們擁有無法從外部控制的熱電阻元件。這是光子計數探測器熱像儀對高速熱測試*的另一個原因。

高靈敏度是關鍵

靈敏度高是制冷型紅外熱像儀的一項顯著優勢。制冷型紅外熱像儀能夠檢測到小至0.02℃的細微溫度變化。通常，非制冷型紅外熱像儀的靈敏度約為0.03℃。雖然0.01℃的差異看上去可能極其微小，但是卻相當于靈敏度提升30%。制冷型紅外熱像儀不僅產生更少的數字噪音，而且其生成的圖像具有更豐富的細節。檢測如此細微溫度變化的能力有助于更好地檢測較小的熱點。

長波紅外的優勢

制冷型紅外熱像儀相對于非制冷型微測輻射熱計熱像儀的一項優勢是能夠檢測到處于7.5 - 14μm波長范圍內的長波紅外輻射。相對于短波波段和中波波段，有更多光子通過長波波段，這意味著量子探測器收集到產生一個電荷的足夠光子數所需的時間更短。具體地說，比如一個30℃的黑體在8-9μm波段發射的光子數比在4-5μm中波波段發射的光子數多將近10倍。一般來說，量子探測器在短波紅外到中波紅外波段工作。但是，由應變層超晶格（SLS）制成的探測器能檢測到7.5-9.5μm波長范圍內的長波紅外輻射。因為有更多的光子可以檢測，SLS探測器具有極短的積分時間，比InSb探測器快多12倍。

與其它量子探測器相比，SLS探測器在將光子轉換成電子方面更，在對較冷目標進行成像時具有更高的熱對比度。長波紅外SLS探測器的優點是具有較寬的溫度量程和較短的曝光時間，如果目標升溫范圍較寬或在空間上快速移動。

成功等于安全

在汽車工程設計與測試階段采用熱成像技術，研發團隊能更容易地識別缺點，以便提升產品總體性能與安全性。但是熱像儀類型及特性會影響成像成功。選擇具有高速度、靈敏度和快積分時間的制冷型紅外熱像儀有助于研究人員追蹤高速應用上溫度隨時間變化趨勢。這些熱像儀還提供細節清晰的定格幀，因此研究人員能測量溫度和描述其產品的熱特性，從而識別問題開始的準確時刻。