看到当地的环境变暖，因此我们环境中的弱点一直是现代热成像技术中最重要的一点。基于IR光学图像传感器的更有效的制造技术，这些相机大大提高了其性能比。 这些设备的功耗更小，更强大，更经济。 一段时间以来，测量热成像系统是可用的，它们类似于传统的网络摄像头，仅由USB端口连续供电。

红外摄像机的功能与普通的数码相机相似：

它们有一个瞄准区域，即所谓的视场（FOV），通常可以在telesco-pic光学器件的6°和广角镜的48°之间变化。大多数标准光学器件显示23°FOV。物体越远，观察区域越大。而且图像的一部分也在增加，这代表一个像素。好的是，考虑到足够大的测量区域，辐射密度与距离无关。因此，在宽广的温度下，测量不受距离测量对象的距离的影响。 [1]

在红外线范围的中间，热辐射只能与由锗，锗合金，锌盐或表面镜制成的光学器件聚焦。与通常的大容量制造的可见光的光学器件相比，这些配合的光学器件仍然是热成像仪的重要成本因素。它们被设计为球形三透镜或非球面两个透镜装置。特别是对于具有可交换光学元件的相机，每个光学元件必须为每个单个像素进行校准，以获得正确的测量。

在几乎所有世界各地使用的热成像系统中，这些相机的核心是焦平面阵列（FPA），一个尺寸为20,000到100万像素的集成图像传感器。每个像素本身都是一个17 x 17μm2到35 x 35μm2的大型微量热仪。这些150毫米厚的热探测器由10 ms内的热辐射加热到物体和芯片温度之间温差的五分之一。这种极高的灵敏度是通过与硅电路和撤离环境的绝佳绝缘相关的非常低的热容量实现的。半透明接收机区域的吸收由于传输电路反射光波与随后的光波的传播和表面的干扰而得到改善。 [2]

测量场（FOV）的依赖性和与标准23°x 17°透镜的距离

USB红外线摄像机可以连接到几乎任何基于Windows的计算机

为了使用这种自干扰效应，测辐射热计区域必须位于离读出电路约2微米的距离处。必须使用特殊的蚀刻技术来构造施加的氧化钒或非晶硅材料。所描述的FPA的具体检测率是实现109cmHz1 / 2 / W的值。它比例如在高温计中使用的其它热检测器好一个数量级。

利用测辐射热计的内在温度，其电阻正在变化。该变化产生电压信号。快速14位A / D转换器正在对放大和串行化视频信号进行数字化处理。数字信号处理正在计算每个像素的温度值。实时生成已知的假彩色图像。热成像相机需要相对广泛的校准，其中在不同的芯片和黑体温度下将每个像素分配多个灵敏度值。为了提高测量精度测辐射热量计，FPA通常在定义的芯片温度下稳定，具有较高的控制精度。

由于性能更好，体积更小，同时更便宜的笔记本电脑，UMPC，网络书籍和平板电脑的发展，现在可以使用他们的

  · 大型显示屏，用于吸引人的热图像演示，

  · 优化的锂离子可充电电池作为电源， 

  · 计算能力为灵活高价值的实时信号显示，

  · 大量的记忆，几乎无限的红外视频记录和

  · 以太网，蓝牙，WLAN和软件界面，用于将热成像系统集成到其应用环境中。

标准化和无处不在的USB 2.0接口保证数据传输速率

  · 30 Hz，320 x 340像素图像分辨率，

  · 120 Hz，图像尺寸为20.000像素。

2009年推出的USB 3.0技术甚至适用于高达100 Hz视频的XGA热图像分辨率。在热成像领域，使用网络摄像头原理可以实现全新的产品功能，显着提高性价比。红外摄像机通过480兆波特面板实时连接到基于Windows的计算机，同时提供所需的电源。

USB红外摄像机的硬件

在过去，USB被视为纯粹的办公通讯媒体。 但与FireWire相反，非常广泛的使用已经开始了一些发展，以提高工业应用性，从而提高了许多USB 2.0终端设备（尤其是USB摄像机）的可用性。 这些新产品的发展是：

耐用高达200°C可用的USB电缆，长度可达10 m，也适用于电缆载体[3] CAT5E（以太网）100米长电缆扩展与信号放大器光纤到USB调制解调器，光纤长度可达10 km [4]

高级接口概念允许在网络和自动化系统中集成热像仪

基于USB总线的高带宽，可以通过100米以太网电缆将标准集线器连接至笔记本电脑，最多可以连接6个120 Hz红外摄像机。

防水，抗振动和抗冲击的热成像设备具有NEMA 4等级，因此也适用于测试台的苛刻应用。 45×45×62立方毫米的尺寸和200克的重量减少了对壳体的冷却和空气净化的努力。

由于测辐射热器的热漂移及其片上信号处理，所有全球销售的测量IR摄像机每隔几分钟就需要进行偏移校正。该校正通过图像传感器前面的黑色金属片的电机驱动运动来完成。以这种方式，每个图像元素以相同的温度被引用。在这些偏移校准期间，热像仪相机当然是盲人的。为了微调这种干扰效应，偏移校正可以在适当的时间点由外部控制引脚启动。同时，相机被设计为最小化其自校准的持续时间：在这里讨论的USB红外相机中，使用相应的快速参与者可以在250 ms内自动参考。这与眼睑运动的持续时间是一致的，因此大量的测量过程可以接受。在必须及时发现突发热点的传送带过程中，“良好”参考图像通常可用作动态差分图像。以这种方式，连续模式是可能的，而没有机械移动的部件。

对于偏移补偿，红外线传感器阵列的整个视场由线性电机短时间关闭

特别是在使用10.6μm-CO2激光器的应用中，光学通道的外部控制闭合与这种自我保护模式的独立信号有关。基于良好的滤波器阻挡所有其他通常在800 nm和2.6μm之间的光谱范围内的工作激光器，可以在其操作期间进行温度测量。

所描述的热成像设备的主要应用领域是：

  · 在产品和过程开发过程中动态热处理的分析，

  · 用于连续监测和控制加热和冷却程序的稳定使用

  · 偶尔用于机电维护和检测建筑物的热泄漏。

对于研发领域的应用，120 Hz视频录制的可能性非常有利。只能在相机的视野中短时间内显示的热处理可以慢动作分析。之后，可以从这样的视频序列中以完全几何和高分辨率生成单个图像。此外，包括显微镜附件的可交换光学器件可以将相机适应不同的测量任务。虽然9°光学器件更适合于从更远的距离监视细节，但显微镜附件可用于测量尺寸为5.5 x 4.2 mm2的物体，几何分辨率为35 x 35μm2。

对于在线使用USB IR摄像机，光隔离过程接口是有利的。从热图像中产生的温度信息可以作为电压信号提供。此外，区域参考的发射率和接触或非接触测量的反射温度可以通过电压输入传输到相机系统。为了文档目的，附加的数字输入可以初始化快照和视频序列。这些热图像可以自动存储在中央服务器上。可以从网络中的不同计算机监控每个单个生产批次温度，特别是均匀度信息的记录。

热分析软件保证灵活性

没有驱动程序安装需要，因为USB红外相机正在使用已经在Windows XP和更高的集成标准USB视频类和HID驱动程序。视频数据的单像素相关实时校正和温度计算在PC上完成。 A只有20.000传感器像素令人印象深刻的图像质量是通过基于复杂的软件的渲染算法实现的，该算法正在以VGA格式计算温度阵列。

应用软件的特点是灵活性和可移植性高。除了热像仪软件的标准功能外，还有高级功能

  ·具有等温线的混合可缩放颜色托盘，

  ·许多数据和热图像导出功能，以支持报告和离线分析，

  ·水平和垂直线显示，

  ·无限数量的测量区域具有独立的报警选项，基于参考图像的不同视频显示，

  ·不同感兴趣区域的温度/时间图

IR视频和图像分析的不同可能性的例子

此外，该软件提供了一种可以节省不同显示调整的布局模式。 集成的视频软件可以编辑辐射度AVI文件。 这些文件也可以根据多个并行可用软件进行脱机分析。 视频采集模式还允许间歇记录慢速热处理及其快速显示。

将实时数据传输到其他程序由完整的文档化DLL作为软件开发工具包的一部分完成。 通过这个DLL接口，所有其他的摄像机功能也是可控的。 或者，软件可以与串行端口进行通信。 使用此数据链接，RS422适配器可以直接连接。

应用实例

三个典型应用，它们代表相机使用范围广泛的示例。

塑料部件（如PET瓶）的生产需要所谓的预成型件的定义的加热，以便在吹塑成型期间保证均匀的材料厚度。测试运行仅用20毫米厚的坯料中的几个完成，全速工作速度约为1米/秒。为了测量预成型件的温度曲线，必须记录具有120Hz的视频序列，因为在这些空白处在视野中的时刻可以变化。照相机以这样的方式定位，使得其以倾斜的角度跟随材料的运动 - 类似于跑步列车最后一辆货车的看法。最后，IR视频序列提供了正确的温度曲线，这对于调整所有加热参数很重要。

玻璃增韧线上的线扫描：经常将玻璃切割成最终形状后，必须在表面上进行钢化。这是在玻璃增韧炉中进行的，其中切割的玻璃被加热到约600℃。在加热活动辊将材料从烘箱运送到冷却部分之后。这里表面以相同的速度快速冷却。以这种方式，产生对安全眼镜特别重要的细晶体硬化结构。玻璃的精细结构，特别是制动强度取决于玻璃材料的所有部分区域的均匀加热和冷却图案。

因为烤箱壳体和冷却部分彼此靠近，所以只能通过小槽监视烤箱的玻璃表面。因此，红外图像的材料仅显示在几行中。该软件将玻璃表面显示为以线或线组生成的图像。每8毫秒记录的热图像都会取出这些线。相机以对角线模式测量插槽，允许使用48°光学器件，总体视野为60°。 玻璃具有不同的发射率，取决于其涂层。 一个红外温度计正在测量非涂层下侧的精确温度，对于那些表面最佳波长为5μm的温度。 因此，对于整体测量图像计算了修正后的发射率。 最后，这些测量图像允许精确调节烘箱中的所有加热部分，确保良好的热均匀性。

使用红外摄像机和参考高温计在玻璃增韧线上进行热像测量

结论

新的红外成像技术在其可能应用的灵活性和宽度方面表现出新颖性。 除了连接到平板电脑的复杂的温度分析之外，该设备还可以用于解决简单的维护任务。 除了USB红外摄像机测量头本身的硬件之外，还可以实现所谓的热成像系统的重要的其他组件 - Windows软件和PC硬件。 这一方面是通过简单的软件更新和扩展下载完成的。 另一方面，由于标准USB接口，测量系统可以随时在技术和功能上进一步开发PC硬件。

参考文献

[1] VDI/VDE Richtlinie,Technische Temperaturmessun-gen - Spezifikation von Strahlungsthermometern,Juni 2001, VDI 3511 Blatt 4.1

[2] Trouilleau, C. et al.: High-performance uncooled amorphous silicon TEC less XGA IRFPA with 17μm pixel-pitch; “Infrared technologies and applications XXXV”, Proc. SPIE 7298, 2009

[3] Schmidgall, T.; Glänzend gelöst – Fehlerdetektion an spiegelnden Oberflächen mit USB2.0 - Industrieka-meras, A&D Kompendium 2007/2008, S. 219

[4] Icron Technology Corp.; Options for Extending USB,White Paper, Burnaby; Canada, 2009

文章来源Optris