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2020OEM机械设计技术研讨会云会议
现场仪表

小菲课堂 | 详细解析长波红外SLS热像仪的显著优势!

  2020年04月23日  

  近年来,我们见证了读取技术和高级热像仪电子元器件的重大进展——推动热像仪的分辨率、速度和灵敏度显著提升。这使得我们能够解决棘手的热测试难题,如对安全气囊进行高速热测量,对微型电子元件进行故障分析,以及对看得见的半透明气体进行光学气体成像等。然而,直到引进II型应变层超晶格(SLS),我们才得以见证热成像技术的显著进步。

  这种探测器材料使热像仪有了与读出集成电路(ROIC)和热像仪电子器件相一致的性能提升。将SLS集成到商用红外热像仪中,提供了一种新的长波红外解决方案,实现速度、温度量程、均匀性和稳定性的明显提升,与此同时价格低于模拟探测器材料。

速度提升

长波红外SLS热像仪

  充气气囊停止运动的热图像

  SLS在长波红外波段和中波红外波段都能运行,但当过滤成长波红外波段时,其性能优势显而易见。事实上,与其它红外热像仪材料相比,SLS的主要优势是积分时间短或快照速度快。表1和表2展示长波红外SLS与中波红外锑化铟(InSb)性能指标之间的差异。只看第一行的温度量程,我们发现SLS的快照速度比处于同一量程的中波红外InSb探测器快12.6倍。

  表1长波红外SLS

  表2 中波红外锑化铟(InSb)

  更快的快照速度使用户能够对高速目标进行定格摄影,以便获得精确的温度测量值。如果积分时间过慢,模糊不清的结果成像会影响温度读数。同样,更快的快照速度意味着更快的帧频。很多时候,InSb和其它探测器材料的较长积分时间需求导致热像仪以慢于探测器最大值的帧频运行。例如,如果您拥有一台热像仪能够以1000帧/秒帧频生成640×512像素的图像,但是它在要求1.2 ms积分时间的带通下运行。由于积分时间限制较长,热像仪将无法达到最大帧频潜力,如果成像目标快速升温,这会引起问题。较慢的采样可能会导致用户无法精确描述部件的热稳态特性,可能会错过电路板启动或重启的关键温度尖峰。

较宽的温度范围

长波红外SLS热像仪

  长波红外SLS热像仪的另一项优势是有较宽的温度范围。在表1中,我们看到长波红外SLS热像仪的启动温度量程为-20°C至150°C,需要1次积分时间。为获得同样的温度范围,中波红外InSb探测器需要循环(超帧)3次积分时间,每个积分时间代表不同的温度量程。为了超帧获得完整的-20℃至150℃温度范围需要循环通过3个温度范围,这导致热像仪每捕获3帧仅获得一张超帧图像。这意味着校准热像仪时须付出3倍工作量并且总帧频减少1/3。

  再看表1和表2,我们发现有另一个值得注意的点:长波红外SLS热像仪未安装减光镜之前能测量更高的温度范围。受评SLS热像仪在安装减光镜之前最高测量650℃,而中波红外InSb热像仪在安装减光镜之前仅能测量最高350℃。这仅是在长波红外波段运行的SLS与在中波红外波段运行的InSb的部分功能。

  图1:30°C理想黑体的光谱发射功率

  为说明这一点,让我们看图1,此图显示的是一个30℃理想黑体的光谱发射功率。曲线下的面积表示那一波段内的功率,长波红外波段的功率比中波红外波段的功率大得多。看图2,我们发现当物体升温时,代表性光谱发射强度曲线的波峰向左侧移动并向右逐渐下降。在一定温度范围内长波红外波段中的功率的变化,不如中波红外波段中的功率的变化显著。正因为如此,与中波红外InSb探测器相比,长波红外SLS探测器能够避免给定积分时间内的过度曝光或曝光不足问题。注意,中波红外波段中的功率变化是很大的;因此,随着物体升温,红外热像仪会在单次积分时间内快速饱和。

  图2:不同温度下黑体的光谱辐射发射率

  总之,SLS使您能够处理目标在较宽温度范围内快速升温的富有挑战性的应用,如燃烧研究应用。

  然而,在长波红外波段运行不是唯一因素。如果研究长波红外碲镉汞(MCT)探测器,我们会发现它们的温度范围也有限,类似于中波红外InSb探测器。你会注意到,长波红外MCT热像仪每次积分时间具有较短的单个温度范围,以及在安装减光镜削减信号之前能够测量的温度限制(见表3)。

  表3 长波红外碲镉汞(MCT)探测器仪性能指标

低成本,高性能

长波红外SLS热像仪

  与其它长波红外制冷型热像仪相比,长波红外SLS热像仪一项最出色的特性是能通过冷却显著提升均匀性和稳定性,尤其是与长波红外MCT热像仪相比。长波红外MCT探测器通常具有较差的均匀性和稳定性。因此,每当用户打开长波红外MCT热像仪,上一次执行的均匀性校正都需要更新(见图3)。

  图3:启动时的MCT热图像

  这为基于现场的应用带来一些问题,由于环境状况,这不利于需要更新增益、补偿错误像素映射设备。这些应用可能包括当热像仪位于试验室中对其进行远程控制,或在政府试验场爆破区之外对其进行控制。相比之下,长波红外SLS能像中波红外InSb那样运行,因为用户只需打开热像仪就可以开始测试(见图4)。在实验室中完成的均匀性校正,除了可能利用热像仪内的内部NUC标记进行一点式补偿更新外,无需额外图像均匀性更新,便可在现场良好运行。NUC在长期多次冷却后仍保持正常。本文测试的热像仪自一年多前首次现场使用以来无需新的NUC。

  图4:启动时的SLS热图像

  虽然SLS热像仪的价格高于中波红外InSb热像仪,但它们比性能相当的长波红外MCT热像仪便宜40%。因此,如果您的应用需要更短的积分时间,更宽的温度范围或只有制冷型长波红外探测器才能提供的光谱灵敏度,SLS探测器比现行的制冷型长波红外MCT探测器具有明显的成本和均匀性优势。

  综上所述,SLS长波红外探测器材料是一种极具吸引力的高性价比材料,与中波红外InSb和长波红外MCT材料相比具有更短的积分时间和更宽的温度量程;长波红外SLS热像仪拥有比现行长波红外MCT热像仪更优异的均匀性和稳定性以及更实惠的价格。如果应用对性价比有特定要求时,长波红外SLS热像仪将是您工具箱的理想之选。

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