文 | AI國際站 唐恩

編 | 艾娃

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内燃機，制動轉子和輪胎以及高速安全氣囊的産品研發隻是真正受益于高速，高靈敏度熱特性測試的部分領域。不幸的是，傳統形式的接觸溫度測量（例如熱電偶）不适合安裝在移動的物體上，而非接觸形式的溫度測量（例如點測槍-甚至是當前的紅外攝像機）都不夠快，無法在如此高的溫度下停止運動速度目标，以進行準确的溫度測量。

沒有适當的工具來進行适當的熱測量和測試，汽車設計工程師可能會浪費時間和效率，并有可能遺漏導緻危險産品和昂貴召回費用的缺陷。例如，美國汽車制造商最近召回了數百萬輛汽車，SUV和卡車，原因是安全氣囊出現故障，問題範圍從乘客激活系統中的微裂紋到充氣機有缺陷。這些有缺陷的系統不僅對駕駛員構成危險，而且對面臨訴訟，罰款和失去公衆信任的制造商的底線有害。下一代紅外攝像機技術可以為工程師提供解決方案。這些相機包含640 x 512像素的高分辨率檢測器，它們可以以每秒1000幀的速度捕獲圖像。此外，新型的檢測器材料（例如，應變層超晶格（SLS））提供了較早的MCT和QWIP檢測器材料更寬的溫度範圍，同時具有出色的均勻性和量子效率。這些新技術以及遠程同步和觸發功能為工程師和技術人員提供了解決高速汽車測試難題所需的工具。

測量快速移動的物體上的溫度具有挑戰性。傳統的溫度測量形式（例如熱電偶）不适用于運動中的系統。非接觸形式的溫度測量（例如點測高溫計）缺乏對快速移動的物體進行準确讀數或準确地對高速目标進行熱特性分析所需的快速響應速率。

帶有未冷卻的測微輻射熱計探測器的紅外攝像機也無法以極高的速度準确地測量溫度。這些相機的曝光時間長，會導緻熱圖像模糊。為了可視化并獲得快速移動的目标的準确溫度讀數，您需要一台冷卻時間短，幀速快的熱成像儀。讓我們探索兩種探測器類型，以更好地了解每種探測器的優缺點，因為它們與高速熱測量有關。

熱探測器和量子探測器的區别在于傳感器如何将紅外輻射轉換為數據。諸如未冷卻的測微熱計之類的熱探測器會對入射的輻射能産生反應。紅外輻射加熱像素，并産生溫度變化，該變化反映在電阻變化中。未冷卻的測微熱像儀的優點包括耐用性，便攜性和低價格。但是，缺點包括幀速率慢-每秒約60幀-響應時間慢（時間常數）。因此，未冷卻的測微輻射熱計無法生成快速移動物體的清晰，定格圖像。取而代之的是，緩慢的幀速率和響應時間會導緻圖像模糊，并最終導緻溫度讀數不準确。較低的幀頻還會阻止這些相機準确地描述快速加熱的物體。 相比之下，由銻化铟（InSb），砷化铟镓（InGaAs）或SLS制成的量子檢測器是光伏的。探測器的晶體結構吸收光子，從而提升電子進入更高的能量狀态這改變了材料的電導率。冷卻這些探測器使它們對紅外輻射非常敏感，有些探測器能夠探測到小于18 mK或.018°C的溫度差。量子檢測器還可以對溫度變化做出快速反應，其時間常數為微秒，而不是數毫秒。短曝光時間和高幀頻的結合使量子檢測器非常适合在高速目标上停止運動，以進行準确的溫度測量以及對快速加熱的目标上溫度随時間的升高情況進行正确表征。這些相機通常比未冷卻的微輻射熱儀相機更昂貴，并且通常更大：一些研究團隊可能需要考慮這些因素。

如前所述，每秒記錄數百或數千幀的能力隻是停止運動所需的一部分。等式的另一個要素是積分時間，即相機為這些幀中的每一個收集數據的時間。積分時間類似于數碼相機的快門速度。如果快門保持打開的時間過長，則其捕獲的圖像中的任何動作都将顯得模糊。同樣，具有較長積分時間的紅外熱像儀将記錄模糊的運動。例如，一個彈跳球将看起來像一顆彗星-後面有運動痕迹。

相機具有的模數轉換器或通道的數量以及高速處理像素的能力也很重要。高速紅外攝像機通常至少具有16個通道，并且處理速度（或像素時鐘速率）至少為200 MP / sec。大多數低性能相機都有四個通道，并以低于50 MP / sec的像素時鐘速率運行。目标的溫度可能會影響積分速度，并最終影響數字計數。攝像機将數字計數轉換為用于目标溫度讀數的輻射值。較熱的目标發出更多的輻射紅外能量，從而産生更多的光子，而較冷的目标發出更少的光子。面臨的挑戰是如何以快速的幀頻準确地測量較冷目标的溫度，因為快速的幀速率需要更短的積分時間。

使問題更加複雜的是，較早的檢測器以及上一代的讀出集成電路（ROIC）在低孔填充時是非線性的。這導緻非均勻性校正失效，導緻圖像質量差和溫度測量精度令人懷疑。現在有了下一代ROIC設計，檢測器可為低孔填充提供線性，從而可以在較冷的目标上以高速（較短的積分時間）進行準确的測量。這就是為什麼高速紅外攝像機擁有對低阱填充具有線性響應的下一代ROIC至關重要的原因。

要考慮的另一個因素是相機的同步能力和對外部事件的觸發能力，例如與旋轉的制動盤同步或内燃機點火。當攝像機系統以内部時鐘運行時，檢測器的積分開始點和數據輸出由時鐘設置。如果事件并非恰好與整合期間相對應，則可能會錯過部分或整個事件。單獨的觸發系統可以通過嚴格控制積分開始時間和幀速率來幫助您更好地同步記錄。未冷卻的微輻射熱檢測器攝像機不具備此功能，因為它們具有無法外部控制的熱阻元件。這是光子計數檢測器相機對于高速熱測試必不可少的另一個原因。

紅外熱像儀的顯着優勢是靈敏度。冷卻後的攝像機可以檢測到僅0.02°C的細微溫度變化。通常，未冷卻的攝像機的靈敏度約為0.03°C。雖然.01°C的差異可能很小，但靈敏度卻提高了30％。冷卻的相機不僅産生較少的數字噪點，而且其産生的圖像更加精細。檢測這種細微的溫度變化的能力可以幫助您更好地檢測小熱點。

未冷卻的測微熱像儀的一個優點是，它們可以檢測7.5-14μm光譜範圍内的長波紅外。通過長波帶的光子要多于通過短波或中波的光子，這意味着量子檢測器收集足夠的光子以産生電荷所需的時間更少。具體來說，在8-9μm範圍内，黑體在30°C處發射的光子比在中波4-5μm範圍内發射的光子幾乎多10倍。通常，量子檢測器在短波中波紅外中工作。但是，由應變層超晶格（SLS）制成的檢測器可以檢測7.5- 9.5μm光譜範圍内的長波紅外。因為要檢測的光子更多，所以SLS檢測器的積分時間極短，比InSb檢測器快12倍。

在将光子轉換為電子時，它們比其他量子檢測器更有效，并且在對冷目标成像時可提供更多的熱對比度。LWIR SLS檢測器的優點是溫度範圍更廣且曝光時間更短，如果您的目标在很寬的溫度範圍内變熱或空間移動非常快，這都可以提供幫助。

通過在汽車工程的設計和測試階段加入熱成像技術，研發團隊可以更輕松地發現薄弱環節，并提高整體産品性能和安全性。但是相機的類型及其功能可能會影響成像的成功。選擇具有最高速度，靈敏度和集成時間的冷卻熱像儀将使研究人員能夠準确跟蹤高速應用中随時間的溫度變化。這些攝像機還将提供清晰明了的定格圖像，因此研究人員可以準确地測量溫度并對其産品進行熱特性分析，從而确定問題開始的确切時間。

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