高速紅外熱像儀有助于改善設(shè)計(jì)階段測(cè)試內(nèi)燃機(jī)、剎車片和輪胎以及高速安全氣囊產(chǎn)品研發(fā)僅是能真正受益于高速、高靈敏度熱特性測(cè)試的少數(shù)幾個(gè)領(lǐng)域。不幸的是，傳統(tǒng)的接觸式溫度測(cè)量工具（如熱電偶）無(wú)法固定在移動(dòng)物體上，并且非接觸式溫度測(cè)量工具（如點(diǎn)溫槍甚至均流紅外熱像儀）根本不足以定格這些高速目標(biāo)以測(cè)得的溫度測(cè)量值。
沒(méi)有合適的工具進(jìn)行充分的熱測(cè)量與測(cè)試，汽車設(shè)計(jì)工程師會(huì)損失時(shí)間和效率，且面臨著遺漏會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)產(chǎn)品和高代價(jià)召回的缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。例如，美國(guó)汽車制造商近因安全氣囊故障（從乘客激活系統(tǒng)有微裂紋到充氣泵故障）召回了數(shù)百萬(wàn)輛汽車、多用途跑車和卡車。這些有缺陷的系統(tǒng)不僅會(huì)給司機(jī)帶來(lái)危險(xiǎn)，而且有損制造商的盈虧底線，這會(huì)導(dǎo)致制造商面臨訴訟、罰款和公信力喪失。
新一代紅外熱像儀技術(shù)為工程師提供了一種解決方案。這些熱像儀配備640×512像素的高分辨率探測(cè)器，能以1000幀/秒的速度捕獲圖像。此外，所采用的新型探測(cè)器材料，如應(yīng)變層超晶格（sls），具有較寬的溫度量程，而且與之前的碲鎘汞（mct）和量子阱紅外探測(cè)器（qwip）材料相比，具有更出色的均勻性和量子效率。這些新技術(shù)，連同遠(yuǎn)程同步與觸發(fā)能力，為工程師和技術(shù)人員提供了克服高速汽車測(cè)試?yán)щy所需的的工具。
高速挑戰(zhàn)測(cè)量快速移動(dòng)目標(biāo)的溫度充滿挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的溫度測(cè)量形式，如熱電偶，對(duì)于運(yùn)動(dòng)中的系統(tǒng)不切實(shí)際。像點(diǎn)溫儀這樣的非接觸式溫度測(cè)量工具缺乏測(cè)得快速移動(dòng)目標(biāo)的讀數(shù)或準(zhǔn)確描述高速目標(biāo)的熱特性所必需具備的快速響應(yīng)速率。
配備非制冷型微測(cè)輻射熱計(jì)探測(cè)器的紅外熱像儀也無(wú)法在*速度下測(cè)量溫度。這些熱像儀具有較長(zhǎng)的曝光時(shí)間，會(huì)導(dǎo)致熱圖像模糊不清。為了可視化快速移動(dòng)目標(biāo)并測(cè)量其溫度讀數(shù)，您需要一臺(tái)具有較短曝光時(shí)間和快速幀頻的制冷型紅外熱像儀。讓我們研究這兩種類型的探測(cè)器，以更好理解它們用于高速熱測(cè)量的各自優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
熱探測(cè)器與量子探測(cè)器熱探測(cè)器和量子探測(cè)器之間的差異可以歸結(jié)為傳感器將紅外輻射轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)的方式。諸如非制冷型微測(cè)輻射熱計(jì)這樣的熱探測(cè)器對(duì)入射輻射能起作用。紅外輻射加熱像素，造成溫度變化，這反映在電阻變化中。非制冷型微測(cè)輻射熱計(jì)熱像儀的優(yōu)點(diǎn)有：經(jīng)久耐用，輕巧便攜和價(jià)格實(shí)惠。然而其缺點(diǎn)在于慢速幀頻——大約60幀每秒——和較慢的響應(yīng)時(shí)間（時(shí)間常數(shù)）。正因?yàn)槿绱?，非制冷型微測(cè)輻射熱計(jì)無(wú)法生成快速移動(dòng)目標(biāo)的清晰定格圖像。而是，較慢的幀頻和響應(yīng)時(shí)間導(dǎo)致圖像模糊不清，終引起溫度讀數(shù)不。此外，慢速幀頻還導(dǎo)致這些熱像儀無(wú)法準(zhǔn)確描繪快速升溫目標(biāo)的特征。
相比之下，由銻化銦（insb）、銦鎵砷化物（ingaas）或應(yīng)變層超晶格（sls）制成的量子探測(cè)器為光電型。探測(cè)器的晶體結(jié)構(gòu)吸收光子，這些光子將其電子躍遷至更高能態(tài)；這改變了材料的導(dǎo)電率。冷卻這些探測(cè)器會(huì)使其對(duì)紅外輻射極為敏感，其中某些探測(cè)器能檢測(cè)到不到18 mk或0.018°c的溫差。此外，量子探測(cè)器對(duì)溫度變化反應(yīng)迅速，時(shí)間常數(shù)達(dá)到微秒級(jí)，而不是毫秒級(jí)。這一特點(diǎn)與較短的曝光時(shí)間和高幀頻相結(jié)合，使得量子探測(cè)器非常適合對(duì)高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行定格攝影，從而測(cè)得目標(biāo)的溫度值，正確描述快速升溫目標(biāo)的溫度隨時(shí)間上升特性。這些紅外熱像儀通常價(jià)格更貴，體積也比非制冷型微測(cè)輻射熱計(jì)熱像儀更大：這些可能是某些研究團(tuán)隊(duì)需要考慮的因素。
不止于快幀頻正如前面略微提及的那樣，以幾十萬(wàn)幀每秒的幀頻記錄的能力僅是定格攝影的部分要求。該方程式的另一元素為積分時(shí)間，或者熱像儀收集每幀數(shù)據(jù)所需的時(shí)間。
積分時(shí)間類似于數(shù)碼相機(jī)的快門速度。如果快門打開時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，數(shù)碼相機(jī)捕獲的圖像中的任何運(yùn)動(dòng)都會(huì)模糊不清。同樣地，具有較長(zhǎng)積分時(shí)間的紅外熱像儀記錄的運(yùn)動(dòng)對(duì)象會(huì)模糊不清。例如在圖像中，一只彈跳的球看起來(lái)就像一顆彗星——后面拖著運(yùn)動(dòng)軌跡。
一臺(tái)熱像儀具有的模擬轉(zhuǎn)換器或信道數(shù)目，以及在高速狀態(tài)下處理像素的能力也很重要。高速紅外熱像儀通常擁有至少16個(gè)信道和至少200百萬(wàn)像素/秒的處理速度——即像素時(shí)鐘頻率。相比之下，大多數(shù)低性能紅外熱像儀僅擁有4個(gè)信道，以50百萬(wàn)像素/秒以下的像素時(shí)鐘頻率運(yùn)行。
檢測(cè)目標(biāo)的溫度會(huì)影響積分速度，并終影響數(shù)字計(jì)數(shù)。熱像儀將數(shù)字計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換成用于測(cè)得目標(biāo)溫度讀數(shù)的輻射值。較熱的目標(biāo)發(fā)出更多的紅外輻射能量，因此發(fā)射的光子也更多，而較冷的目標(biāo)發(fā)射較少的光子。此處的挑戰(zhàn)在于如何以較快幀頻測(cè)量較冷目標(biāo)的溫度，因?yàn)榭鞄l要求更短的積分時(shí)間。
讓問(wèn)題變得更復(fù)雜的事實(shí)是老款探測(cè)器——采用上一代讀出集成電路（roic）——在較低勢(shì)阱填充條件下是非線性的。這導(dǎo)致非均勻性校正功能失效，進(jìn)而引起較差的成像質(zhì)量和不可靠的溫度測(cè)量精度。如今，憑借新一代roic設(shè)計(jì)，探測(cè)器可為低勢(shì)阱填充提供線性，允許高速（短積分時(shí)間）測(cè)量較冷目標(biāo)。這就是為什么高速紅外熱像儀配備能對(duì)低勢(shì)阱填充作出線性響應(yīng)的新一代roic至關(guān)重要。
抓準(zhǔn)時(shí)機(jī)另一項(xiàng)需要考慮的因素是熱像儀同步和觸發(fā)外部事件的能力，如與旋轉(zhuǎn)的制動(dòng)盤和燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火同步。當(dāng)熱像儀系統(tǒng)按內(nèi)部時(shí)鐘運(yùn)行，探測(cè)器的積分起點(diǎn)和數(shù)據(jù)輸出由時(shí)鐘確定。如果無(wú)法準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)積分時(shí)間，可能會(huì)錯(cuò)過(guò)事件的某些部分或整個(gè)事件。一個(gè)獨(dú)立的觸發(fā)系統(tǒng)有助于通過(guò)嚴(yán)格控制積分開始時(shí)間和幀頻更好地同步記錄。非制冷型微測(cè)輻射熱計(jì)探測(cè)器不具備這種能力，因?yàn)樗鼈儞碛袩o(wú)法從外部控制的熱電阻元件。這是光子計(jì)數(shù)探測(cè)器熱像儀對(duì)高速熱測(cè)試*的另一個(gè)原因。
高靈敏度是關(guān)鍵靈敏度高是制冷型紅外熱像儀的一項(xiàng)顯著優(yōu)勢(shì)。制冷型紅外熱像儀能夠檢測(cè)到小至0.02℃的細(xì)微溫度變化。通常，非制冷型紅外熱像儀的靈敏度約為0.03℃。雖然0.01℃的差異看上去可能極其微小，但是卻相當(dāng)于靈敏度提升30%。制冷型紅外熱像儀不僅產(chǎn)生更少的數(shù)字噪音，而且其生成的圖像具有更豐富的細(xì)節(jié)。檢測(cè)如此細(xì)微溫度變化的能力有助于更好地檢測(cè)較小的熱點(diǎn)。
長(zhǎng)波紅外的優(yōu)勢(shì)制冷型紅外熱像儀相對(duì)于非制冷型微測(cè)輻射熱計(jì)熱像儀的一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)是能夠檢測(cè)到處于7.5 - 14μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的長(zhǎng)波紅外輻射。相對(duì)于短波波段和中波波段，有更多光子通過(guò)長(zhǎng)波波段，這意味著量子探測(cè)器收集到產(chǎn)生一個(gè)電荷的足夠光子數(shù)所需的時(shí)間更短。具體地說(shuō)，比如一個(gè)30℃的黑體在8-9μm波段發(fā)射的光子數(shù)比在4-5μm中波波段發(fā)射的光子數(shù)多將近10倍。一般來(lái)說(shuō)，量子探測(cè)器在短波紅外到中波紅外波段工作。但是，由應(yīng)變層超晶格（sls）制成的探測(cè)器能檢測(cè)到7.5-9.5μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的長(zhǎng)波紅外輻射。因?yàn)橛懈嗟墓庾涌梢詸z測(cè)，sls探測(cè)器具有極短的積分時(shí)間，比insb探測(cè)器快多12倍。
與其它量子探測(cè)器相比，sls探測(cè)器在將光子轉(zhuǎn)換成電子方面更，在對(duì)較冷目標(biāo)進(jìn)行成像時(shí)具有更高的熱對(duì)比度。長(zhǎng)波紅外sls探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是具有較寬的溫度量程和較短的曝光時(shí)間，如果目標(biāo)升溫范圍較寬或在空間上快速移動(dòng)。
成功等于安全在汽車工程設(shè)計(jì)與測(cè)試階段采用熱成像技術(shù)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)能更容易地識(shí)別缺點(diǎn)，以便提升產(chǎn)品總體性能與安全性。但是熱像儀類型及特性會(huì)影響成像成功。選擇具有高速度、靈敏度和快積分時(shí)間的制冷型紅外熱像儀有助于研究人員追蹤高速應(yīng)用上溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)。這些熱像儀還提供細(xì)節(jié)清晰的定格幀，因此研究人員能測(cè)量溫度和描述其產(chǎn)品的熱特性，從而識(shí)別問(wèn)題開始的準(zhǔn)確時(shí)刻。