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現場儀表

小菲課堂 | 詳細解析長波紅外SLS熱像儀的顯著優勢!

  2020年04月23日  

  近年來,我們見證了讀取技術和高級熱像儀電子元器件的重大進展——推動熱像儀的分辨率、速度和靈敏度顯著提升。這使得我們能夠解決棘手的熱測試難題,如對安全氣囊進行高速熱測量,對微型電子元件進行故障分析,以及對看得見的半透明氣體進行光學氣體成像等。然而,直到引進II型應變層超晶格(SLS),我們才得以見證熱成像技術的顯著進步。

  這種探測器材料使熱像儀有了與讀出集成電路(ROIC)和熱像儀電子器件相一致的性能提升。將SLS集成到商用紅外熱像儀中,提供了一種新的長波紅外解決方案,實現速度、溫度量程、均勻性和穩定性的明顯提升,與此同時價格低于模擬探測器材料。

速度提升

長波紅外SLS熱像儀

  充氣氣囊停止運動的熱圖像

  SLS在長波紅外波段和中波紅外波段都能運行,但當過濾成長波紅外波段時,其性能優勢顯而易見。事實上,與其它紅外熱像儀材料相比,SLS的主要優勢是積分時間短或快照速度快。表1和表2展示長波紅外SLS與中波紅外銻化銦(InSb)性能指標之間的差異。只看第一行的溫度量程,我們發現SLS的快照速度比處于同一量程的中波紅外InSb探測器快12.6倍。

  表1長波紅外SLS

  表2 中波紅外銻化銦(InSb)

  更快的快照速度使用戶能夠對高速目標進行定格攝影,以便獲得精確的溫度測量值。如果積分時間過慢,模糊不清的結果成像會影響溫度讀數。同樣,更快的快照速度意味著更快的幀頻。很多時候,InSb和其它探測器材料的較長積分時間需求導致熱像儀以慢于探測器最大值的幀頻運行。例如,如果您擁有一臺熱像儀能夠以1000幀/秒幀頻生成640×512像素的圖像,但是它在要求1.2 ms積分時間的帶通下運行。由于積分時間限制較長,熱像儀將無法達到最大幀頻潛力,如果成像目標快速升溫,這會引起問題。較慢的采樣可能會導致用戶無法精確描述部件的熱穩態特性,可能會錯過電路板啟動或重啟的關鍵溫度尖峰。

較寬的溫度范圍

長波紅外SLS熱像儀

  長波紅外SLS熱像儀的另一項優勢是有較寬的溫度范圍。在表1中,我們看到長波紅外SLS熱像儀的啟動溫度量程為-20°C至150°C,需要1次積分時間。為獲得同樣的溫度范圍,中波紅外InSb探測器需要循環(超幀)3次積分時間,每個積分時間代表不同的溫度量程。為了超幀獲得完整的-20℃至150℃溫度范圍需要循環通過3個溫度范圍,這導致熱像儀每捕獲3幀僅獲得一張超幀圖像。這意味著校準熱像儀時須付出3倍工作量并且總幀頻減少1/3。

  再看表1和表2,我們發現有另一個值得注意的點:長波紅外SLS熱像儀未安裝減光鏡之前能測量更高的溫度范圍。受評SLS熱像儀在安裝減光鏡之前最高測量650℃,而中波紅外InSb熱像儀在安裝減光鏡之前僅能測量最高350℃。這僅是在長波紅外波段運行的SLS與在中波紅外波段運行的InSb的部分功能。

  圖1:30°C理想黑體的光譜發射功率

  為說明這一點,讓我們看圖1,此圖顯示的是一個30℃理想黑體的光譜發射功率。曲線下的面積表示那一波段內的功率,長波紅外波段的功率比中波紅外波段的功率大得多。看圖2,我們發現當物體升溫時,代表性光譜發射強度曲線的波峰向左側移動并向右逐漸下降。在一定溫度范圍內長波紅外波段中的功率的變化,不如中波紅外波段中的功率的變化顯著。正因為如此,與中波紅外InSb探測器相比,長波紅外SLS探測器能夠避免給定積分時間內的過度曝光或曝光不足問題。注意,中波紅外波段中的功率變化是很大的;因此,隨著物體升溫,紅外熱像儀會在單次積分時間內快速飽和。

  圖2:不同溫度下黑體的光譜輻射發射率

  總之,SLS使您能夠處理目標在較寬溫度范圍內快速升溫的富有挑戰性的應用,如燃燒研究應用。

  然而,在長波紅外波段運行不是唯一因素。如果研究長波紅外碲鎘汞(MCT)探測器,我們會發現它們的溫度范圍也有限,類似于中波紅外InSb探測器。你會注意到,長波紅外MCT熱像儀每次積分時間具有較短的單個溫度范圍,以及在安裝減光鏡削減信號之前能夠測量的溫度限制(見表3)。

  表3 長波紅外碲鎘汞(MCT)探測器儀性能指標

低成本,高性能

長波紅外SLS熱像儀

  與其它長波紅外制冷型熱像儀相比,長波紅外SLS熱像儀一項最出色的特性是能通過冷卻顯著提升均勻性和穩定性,尤其是與長波紅外MCT熱像儀相比。長波紅外MCT探測器通常具有較差的均勻性和穩定性。因此,每當用戶打開長波紅外MCT熱像儀,上一次執行的均勻性校正都需要更新(見圖3)。

  圖3:啟動時的MCT熱圖像

  這為基于現場的應用帶來一些問題,由于環境狀況,這不利于需要更新增益、補償錯誤像素映射設備。這些應用可能包括當熱像儀位于試驗室中對其進行遠程控制,或在政府試驗場爆破區之外對其進行控制。相比之下,長波紅外SLS能像中波紅外InSb那樣運行,因為用戶只需打開熱像儀就可以開始測試(見圖4)。在實驗室中完成的均勻性校正,除了可能利用熱像儀內的內部NUC標記進行一點式補償更新外,無需額外圖像均勻性更新,便可在現場良好運行。NUC在長期多次冷卻后仍保持正常。本文測試的熱像儀自一年多前首次現場使用以來無需新的NUC。

  圖4:啟動時的SLS熱圖像

  雖然SLS熱像儀的價格高于中波紅外InSb熱像儀,但它們比性能相當的長波紅外MCT熱像儀便宜40%。因此,如果您的應用需要更短的積分時間,更寬的溫度范圍或只有制冷型長波紅外探測器才能提供的光譜靈敏度,SLS探測器比現行的制冷型長波紅外MCT探測器具有明顯的成本和均勻性優勢。

  綜上所述,SLS長波紅外探測器材料是一種極具吸引力的高性價比材料,與中波紅外InSb和長波紅外MCT材料相比具有更短的積分時間和更寬的溫度量程;長波紅外SLS熱像儀擁有比現行長波紅外MCT熱像儀更優異的均勻性和穩定性以及更實惠的價格。如果應用對性價比有特定要求時,長波紅外SLS熱像儀將是您工具箱的理想之選。

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