紅外熱像儀在測溫上的測量精度和不確定性的介紹

當(dāng)你無法清楚了解測量儀器所導(dǎo)出測量數(shù)據(jù)的敏感性級別和精度，便很難相信這些數(shù)據(jù)，紅外熱像儀常常會被歸到這一測量儀器的類別之中。而且，在討論紅外熱像儀的測量精度時，常常會用到一些令人困惑不已、產(chǎn)生誤解的復(fù)雜術(shù)語和行話，最終使一些研究人員完全對這些工具繞行而走，與其在研發(fā)熱測量應(yīng)用所具有的潛在優(yōu)勢失之交臂。

在下面的文章中，我們會避免使用技術(shù)術(shù)語，以直白的語言闡述紅外熱像儀在測溫上的不確定性，讓你對此有基本的了解，從而幫助你理解紅外熱像儀標(biāo)定流程和精度。

熱像儀精度規(guī)格與不確定性方程式

你可能會注意到，大多數(shù)紅外熱像儀的數(shù)據(jù)規(guī)格手冊上的精度規(guī)格會顯示為±2 ?C或讀數(shù)的2%。這一規(guī)格數(shù)據(jù)是基于廣泛采用的名為“平方和根值”（RSS）不確定性分析技術(shù)結(jié)果。

它的概念是一個計算溫度測量公式每個變量的局部誤差值，取每個誤差項的平方，然后將其全部相加，最后取其平方根值。雖然這個公式聽起來復(fù)雜，但其實很簡單。從另一方面來講，局部誤差值的確定可能會很難。

“局部誤差”來自于典型紅外熱像儀溫度測量公式中多個變量中的一個，包括：

● 發(fā)射率

● 反射的環(huán)境溫度

● 透過率大氣溫度

● 熱像儀的響應(yīng)值

● 校準(zhǔn)器（黑體）的溫度精度

一旦確定上述各個值的“局部誤差”響應(yīng)值，那么整個誤差公式就是：總誤差= √?T12+?T22+?T32 …以此類推其中，?T1、?T2、?T3.。。是測溫公式中變量的局部誤差值。

那為何公式是這樣的？事實證明，隨機的誤差值有時是在同一個方向上相加，使你離正確值的偏差越來越遠; 有時，誤差值又是在相反方向上相加，相互抵消。所以，采用“平方和根植”是計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)規(guī)格表上的顯示數(shù)據(jù)。

這里需要說明的是，目前所討論的計算值有效的條件是只有當(dāng)熱像儀用于實驗室或戶外短距離范圍（20米以內(nèi)）。由于大氣吸收因素，還有影響程度較小的發(fā)射率因素，距離變長會增加測量值的不確定性。

當(dāng)紅外熱像儀的研發(fā)工程師在實驗室條件下對大部分現(xiàn)代的紅外熱像儀系統(tǒng)采用“平方和根值”的分析方法時，所得結(jié)果近似為±2 ?C或2% — 因此成為熱像儀規(guī)格參數(shù)中使用的合理精度率。

但是，實踐表明，諸如FLIR X6900sc的高性能的熱像儀比FLIR E40的經(jīng)濟型熱像儀的精度效果要好，因此，我們?nèi)孕枰鲂┕ぷ鱽砀玫亟忉屵@一觀察結(jié)果。

實驗室測量值和±1 ?C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，熱像儀實際產(chǎn)生的溫度測量值。此類物體一般指代為“黑體”。在引用已知發(fā)射率和溫度的物體的理論概念前，你可能聽說過這個術(shù)語。黑體的這一概念也用來指代一些實驗室設(shè)備。

實驗室測量值的不確定性包括將校準(zhǔn)熱像儀指向校準(zhǔn)的黑體，并畫出隨時間變化的溫度變化。雖然經(jīng)過仔細的校準(zhǔn)，但在測量中總會出現(xiàn)一些隨機誤差。所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)集可以對精度和精確性進行量化。請參見圖2的校準(zhǔn)黑體測量值結(jié)果。

圖2.觀測37 ?C黑體時典型FLIR A325sc紅外熱像儀的響應(yīng)值。

圖2的圖形顯示的是FLIR A325sc紅外熱像儀在室內(nèi)距離0.3米觀測37 ?C黑體的2 小時以上的數(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。

我們來看下這個數(shù)據(jù)，所有像素平均值的預(yù)期精度可能達到0.5 ?C。有些人可能甚至?xí)暦QFLIR A325sc等使用相同探測器的其他熱像儀的精度為±1 ?C。不過，也有些人可能會辯稱，上面圖形顯示的是所有像素的平均值，可能并不能代表個別的像素。

了解所有像素彼此有多一致的一種方法為觀察標(biāo)準(zhǔn)差和時間。

圖3.觀測37 ?C黑體時典型FLIR A325sc紅外熱像儀的標(biāo)準(zhǔn)差。

如圖3所示。該圖形顯示出其典型的標(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為熱像儀進行了單點校準(zhǔn)。單點校準(zhǔn)是自校準(zhǔn)流程中的一種類型，是所有采用微測輻射熱計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輻射熱計紅外熱像儀采集的數(shù)據(jù)。那么高性能量子探測器紅外熱像儀的結(jié)果會有何不同？

圖4.觀測35 ?C黑體時典型銻化銦紅外熱像儀的響應(yīng)值。

圖4顯示的是典型3‐5 μm帶銻化銦（InSb）探測器的紅外熱像儀，比如FLIRX6900sc。該熱像儀的規(guī)格文檔中標(biāo)明，該測試精度為±2 ?C或2%。你會發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)在這些規(guī)格范圍內(nèi)：該天的精度讀數(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？這可能是因為黑體的校準(zhǔn)、熱像儀的校準(zhǔn)或第2節(jié)中提到的局部誤差術(shù)語造成的。另一種可能是熱像儀只在測量開始的時候進行了簡單的暖機。如果光學(xué)鏡頭或機身的內(nèi)部沒有產(chǎn)生溫度變化，那么可能會抵消溫度測量值。

我們從這兩個校準(zhǔn)測試中可以得出這樣的結(jié)論，微測輻射熱計紅外熱像儀和光子計數(shù)量子探測器紅外熱像儀可能經(jīng)過出廠校準(zhǔn)，在典型的室內(nèi)環(huán)境條件下，觀測已知發(fā)射率的37 ?C物體時的精度小于1 ?C。

環(huán)境溫度補償

出廠校準(zhǔn)的一個最關(guān)鍵步驟是環(huán)境溫度補償。無論是熱探測器紅外熱像儀還是量子探測器紅外熱像儀，都會對落在探測器上的總紅外能量做出響應(yīng)。如果熱像儀的設(shè)計精良，大部分能量都來自于物體：極少是來自熱像儀本身。但是，不可能完全消除探測器和光程周圍材料的影響。沒有適當(dāng)?shù)难a償，機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)。

實現(xiàn)環(huán)境溫度補償最好的方法是從最多3個不同位置測量熱像儀和光程的溫度，然后將測量數(shù)據(jù)并入校準(zhǔn)公式中。這樣可以確保整個工作溫度范圍的準(zhǔn)確讀數(shù)（一般為-15 ?C至50 ?C）。這對將要用于室外的熱像儀來說尤為重要，否則的話便會受到溫度波動的影響。和環(huán)境溫度補償一樣重要的是，在進行關(guān)鍵測溫前要對熱像儀進行完全的預(yù)熱。同時，也要確保熱像儀和鏡頭沒有直接曝露于光照或其他熱源下。改變熱像儀和光學(xué)鏡頭的溫度會對測量的不確定性產(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)過程中都會進行環(huán)境溫度補償。如果對環(huán)境溫度偏移補償做的不好，這些熱像儀的數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)明顯的錯誤 — 偏差可能在10 ?C以上。因此，在購買紅外熱像儀前，一定要詢問其有無進行過校準(zhǔn)，以及如何執(zhí)行的校準(zhǔn)。

其他測量值考量因素

無論與熱像儀的校準(zhǔn)有無直接的相關(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)置錯誤或測試條件不合適會影響熱像儀能否正確測量物體。

發(fā)射率——或者說是物體發(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，并在進行測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。如果你出錯了，F(xiàn)LIR 研發(fā)軟件能夠幫助你在分析過程中（實時查看或后期分析）更改發(fā)射率。更改可以在整個圖像上進行，也可以按區(qū)域更改。

另一個要考量的因素是距離系數(shù)比或覆蓋目標(biāo)對象的每一個像素的區(qū)域大小。比方說，使用25°默認鏡頭的FLIR A325sc測量60英尺外點亮的火柴。每一個像素占總場景的1平方英寸面積。但火柴頭只有1/8平方英寸，遠小于它所覆蓋的像素。幾乎像素中所有明顯的紅外能量實際上都來自火柴灰燼背后的區(qū)域。只有1/64是我們要測量的灰燼部分。如果背景是室內(nèi)溫度的話， 熱像儀報告的溫度值可能會低于灰燼的溫度值。

解決辦法是在熱像儀上裝一個望遠鏡頭或是將它向目標(biāo)物移近?？赡苁够覡a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溫度精度， 必須確保最小的測量物體區(qū)域完全占據(jù)10x10以上的像素。不過，即使考慮了單個像素或3 x 3像素網(wǎng)格的距離系數(shù)比，你也可能已經(jīng)很靠近真實的測量值。

結(jié)論

如我們所見，“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。

最后要注意的一點是：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，如果能夠進行一次良好的用戶校準(zhǔn)，那么您便可以進行自定義的不確定性分析。

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