热像仪选购指南
固定式红外热像仪选型参考
红外热像仪是用来做什么的？
热成像是一项高度灵活、非接触式的技术，在各行各业中都发挥着至关重要的作用。通过捕捉红外辐射，热像仪使我们能够监控并管理对温度敏感的工艺流程——无论是冷链物流，还是玻璃及金属生产等高温环境。准确识别热异常不仅能提高产品质量与安全性，还能提升生产效率、降低成本，并实现早期干预，即便是在瞬息万变的工业环境中也能应对自如。
在制造业领域，红外热像仪常用于监测金属、玻璃和塑料制品的温度。这些精确的温度数据直接传输至工艺控制系统，有助于最大限度地减少废品、确保质量的一致性并提高生产率。如今的在线式红外热像仪可以实现无物理接触的连续监测，能够自动分析热数据，一旦发现工艺偏离轨道，即可触发报警或自动调整生产流程。
热成像技术在机械系统检测方面也具有划时代的意义。它能在摩擦、过热、对中不良或轴承磨损等问题恶化为重大故障之前，精准识别出这些征兆。这种主动式的维护规划方法有助于减少停机时间，并延长设备的使用寿命。
在能源领域，红外热像仪对于监测变压器、开关柜和架空线路等电力基础设施的状态至关重要。通过探测由接头过热、负载不平衡或其他故障引起的异常热特征，操作人员能够及早处理问题，防止事故发生，并提升电网的可靠性。
在早期火灾探测方面，热像仪能够在火焰或烟雾产生之前，就发现热点和潜在火源。凭借广阔的视场角和极高的灵敏度，它们可以监控大面积区域，并比传统烟雾报警器更迅速地触发警报，为防止火灾损失争取到至关重要的时间优势。
红外热像仪是如何工作的？
与捕捉可见光的传统相机不同，热像仪工作在红外光谱段——因为任何高于绝对零度的物体都会释放热辐射。在热成像系统中，光学镜头将这种辐射汇聚到探测器阵列上。该阵列中的每个像素都代表场景中的一个特定点，并记录来自该位置的红外能量强度。根据波长范围的不同，探测器可能会采用多种技术，例如非制冷型微辐射热计或制冷型红外光电探测器。
当红外辐射击中探测器时，会改变探测器的电学特性。这些变化随后被转化为电子信号，并经过热像仪电子组件的放大、数字化和处理。在非制冷系统中，内置快门会定期进行偏移校正和非均匀性校正，以保持测量精度。热像仪软件利用校准数据，将处理后的信号转换为温度读数。这实现了精确的非接触式温度测量，非常适合监控、分析和自动报警。
红外热像仪拥有不同的光谱范围、温度范围、帧率、灵敏度和分辨率，提供了极其丰富的性能选择和价格档位。这种多样性确保了几乎任何工业需求都能找到匹配的型号。接下来的章节将重点介绍在选择最符合特定应用要求的红外热像仪时，需要考虑的关键因素。
第 1 步：选择红外热像仪的最佳光谱范围。
任何温度高于绝对零度的物体都会从其表面发出电磁辐射，且物体温度越高，这种辐射就越强烈。当这些辐射在大气中传播时，其中一部分会被吸收或散射，而另一部分则能穿过。大气允许这些辐射通过的能力随波长的不同而有很大差异——高吸收区与传输性能更好的“大气窗口”交替出现。
对于非接触式温度测量，我们通常使用波长范围约为 0.5到14μm的红外线。这一范围涵盖了多种电磁波，可细分为短波、中波和长波红外波段，每个波段都具有独特的测量特性和用途。
所谓的理想黑体辐射源能在每一个波长下都发出最大可能的红外能量，且不产生任何反射或透射。现实中极少有物体能达到这种理想黑体的状态。许多物体在相同温度下发出的辐射要少得多。红外传感器接收到的信号包含三部分：物体表面发出的发射辐射、来自周围环境的反射辐射，以及可能穿透黑体的透射红外辐射。
发射率定义了物体实际辐射值与黑体辐射值之间的关系，其取值范围在 0 到 1 之间。从理论上讲，发射率取决于材料种类、表面状态、温度、波长、测量角度，有时还取决于测量布局。发射率是实现精确温度测量的关键因素。在实际应用中，必须根据具体情况调整发射率参数；同时，在选择合适的测量设备时也必须将其考虑在内，因为不同的探测器技术感知不同波长或波段的红外能量。根据材料的不同，红外热像仪感测能量的波段会对测量结果产生重大影响。
许多非反射性材料通常具有较高且相当稳定的发射率，其数值受表面状况的影响较小——尤其是在长波红外范围内。相比之下，金属通常表现出较低的发射率，且该数值会因表面光洁度的不同而发生剧烈波动；此外，金属的发射率往往会随着波长的增加而下降。因此，（在长波段测量金属）可能会遇到不一致或不可靠的测量结果。
为了获得准确的读数，至关重要的一点是在材料具有较高发射率的波长和温度范围内测量红外辐射。因此，选择合适的光谱范围是挑选温度测量设备时最具决定性的一步。此外，应始终优先考虑在短波范围内进行测量。根据普朗克辐射定律，首先，短波段通常拥有最高的辐射强度；其次，以金属为例，其在短波段也具有最高的发射率。
因此，像 Optris 这样的制造商会根据具体的测量任务，精确调整红外热像仪的工作波长范围。通常情况下，大多数材料与热像仪的选择可归纳为以下几类；如有必要，必须根据具体材料进行适配：
-
- LT (长波段): 8-14μm： 适用于非金属及非反光材料，例如塑料、木材、纸张、陶瓷、砖块、碳、混凝土、织物、有机材料、冰、水、油漆、胶合板以及带涂层的金属。
-
- G7: 7.9μm： 适用于玻璃、BK7 玻璃、薄塑料。
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- MT (中温/中波波段): 适用于金属、陶瓷，以及穿透火焰和燃烧烟气进行测量。
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- 05M, 08M, 1M（短波波段）： 适用于钢、铁、黄铜、铜、锡、硅半导体。
许多非反射性材料通常具有较高且相当稳定的发射率，其数值受表面状况的影响较小——尤其是在长波红外范围内。相比之下，金属通常表现出较低的发射率，且该数值会因表面光洁度的不同而发生剧烈波动；此外，金属的发射率往往会随着波长的增加而下降。因此，（在长波段测量金属）可能会遇到不一致或不可靠的测量结果。
为了获得准确的读数，至关重要的一点是在材料具有较高发射率的波长和温度范围内测量红外辐射。因此，选择合适的光谱范围是挑选温度测量设备时最具决定性的一步。此外，应始终优先考虑在短波范围内进行测量。根据普朗克辐射定律，首先，短波段通常拥有最高的辐射强度；其次，以金属为例，其在短波段也具有最高的发射率。
因此，像 Optris 这样的制造商会根据具体的测量任务，精确调整红外热像仪的工作波长范围。通常情况下，大多数材料与热像仪的选择可归纳为以下几类；如有必要，必须根据具体材料进行适配：
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- LT (长波段): 8-14μm： 适用于非金属及非反光材料，例如塑料、木材、纸张、陶瓷、砖块、碳、混凝土、织物、有机材料、冰、水、油漆、胶合板以及带涂层的金属。
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- G7: 7.9μm： 适用于玻璃、BK7 玻璃、薄塑料。
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- MT (中温/中波波段): 适用于金属、陶瓷，以及穿透火焰和燃烧烟气进行测量。
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- 05M, 08M, 1M（短波波段）： 适用于钢、铁、黄铜、铜、锡、硅半导体。
第 2 步：选择正确的测量范围和热分辨率。
温度测量范围是指热像仪能够准确捕捉的最低和最高温度。在实际应用场景中，这一范围是根据你在特定画面或应用中可能遇到的最低和最高温度来确定的。
对于短波红外热像仪而言，与长波机型相比，它们通常用于处理更高的温度范围。通常情况下，被测物体的材质在决定最佳光谱范围方面起着至关重要的作用，而光谱范围反过来又会影响整体的测量范围。市售红外热像仪的测温范围通常涵盖约 −40 °C 到 2,450 °C，但你无法找到一台能同时兼顾这两个极端温度的设备。这种限制源于热像仪电子组件有限的动态范围，以及普朗克定律所描述的热辐射非线性特性。为了获得最佳性能，测量范围通常被划分为低温、中温和高温类别，且每个类别都配备了专门的低噪声放大器。
在温度范围与光谱范围之间找到最佳平衡点，通常最好的做法是咨询应用工程师。
另一个需要考虑的关键指标是温度分辨率，也称为 NETD（噪声等效温差）。NETD 衡量的是热像仪能够辨别的最小温差，它主要取决于探测器的噪声水平。噪声越小，热分辨率就越出色。必须严格区分温度分辨率与温度准确度。分辨率是指热像仪捕捉微小温度变化的能力，而准确度则是指测量值与真实温度之间的接近程度。一台热像仪的分辨率可能非常出色——甚至能显示最细微的热量波动——但其测量误差（准确度）仍可能超过其热分辨率。
第 3 步：选择红外热像仪正确的分辨率和光学镜头。
几何分辨率在各种应用中都起着至关重要的作用，而红外热像仪与目标之间的距离对其有着显著影响。需要考虑的重要因素包括：测量系统的几何布局、传感器的分辨率和物理尺寸，以及镜头的焦距。制造商通常不会只关注焦距，而是重点标注镜头的视场角（FOV）或视角。视场角定义了可以观测到的区域范围，而分辨率则受像素尺寸、探测器像素数量以及目标距离的共同影响。
在实际应用中，一个关键问题是：我们能否可靠地测量目标上的微小结构？为了获得最佳结果，视场角（FOV）应完整覆盖整个目标，且选定的镜头应能最大限度地增加覆盖测量区域的像素数量。随着测量距离的增加，空间分辨率和目标上的像素数量往往都会随之下降。然而在某些情况下，由于高温、安全问题或空间受限，靠近目标进行测量是不可行的。
有两个关键术语需要牢记：瞬时视场（IFOV）和测量视场（MFOV）。IFOV 指的是单个像素在测量表面上的大小，而 MFOV 则表示能够被可靠且一致地测量出的最小物体尺寸。
从物理学的角度来看，衍射会限制红外系统的光学分辨率和成像质量，即使在像素密度很高的情况下也是如此。现代测辐射热计的像素尺寸已经接近红外波长，这意味着衍射效应——例如比像素还大的艾里斑——会导致单个像素的读数变得不可靠，这种情况在长波范围内尤为明显。
由于上述原因，被测量的最小目标应始终大于 MFOV（测量视场），而不仅仅是匹配 IFOV（瞬时视场）。MFOV 和 IFOV 都可以通过像素尺寸、目标距离以及光学镜头的纵向/横向视场角（FOV）计算得出——通常可以借助在线光学计算器来完成。
第 4 步：选择正确的帧率和曝光时间。
红外热像仪的性能主要依赖于三大核心要素：热分辨率、光学分辨率和时间分辨率。时间分辨率通过帧率来衡量，它表示热像仪每秒钟能够捕捉到的图像数量。在制造业等高速作业的工业场景中，高帧率对于精确监控至关重要。当温度发生剧烈波动，或者热像仪视野内存在移动目标时，更高的时间分辨率就显得尤为必要。
由于技术限制或出口管制，某些红外热像仪的运行帧率可能低于 9 Hz，这对于动态场景并不理想。通常情况下，帧率的“黄金区间”在 30 Hz 到 80 Hz 之间，一些专业型号甚至可以达到 1 kHz。然而，追求极高的帧率往往意味着需要牺牲图像分辨率。在这种情况下，线扫描模式——即在某个维度上捕捉较少的像素（例如 764 ×8 像素）——可以有效地追踪快速移动的物体。
帧率与曝光时间（也称为积分时间或热时间常数）密切相关，曝光时间是指探测器捕捉单幅图像所需的时间。较短的曝光时间有助于减少高速运动过程中的运动模糊，从而获得更清晰的图像。有趣的是，与低灵敏度热像仪相比，高灵敏度热像仪通常需要更短的曝光时间就能在相同目标上产生同等质量的图像。
在为高速应用选择红外热像仪时，必须综合考虑目标的移动速度、其升温或降温速率，以及热像仪自身的移动情况。这能确保选定的帧率和曝光时间能够完全匹配该应用的特定需求。
第 5 步：确保红外热像仪配合正确的附件，以适应工业环境。
在工业环境中，红外热像仪面临着严峻的挑战，例如极端高温、粉尘、振动、冲击、烟雾和潮湿。其中最大的障碍之一就是电子元件所能承受的最高工作温度。虽然许多红外热像仪为了实现边缘计算（Edge Computing）而内置了处理单元，但这通常意味着它们只能在 50 °C 以下的温度环境中运行。相比之下，Optris热像仪专为工业环境设计，能够在高达 70 °C 的环境温度下正常工作。
当安装环境超出这些温度极限时，采取防护措施就变得至关重要。冷却保护套可以使用水或压缩空气作为冷却介质，能够有效保护红外热像仪、计算机及网络交换机，使其免受高达 315 °C 极端环境高温的损伤。为了完善这一解决方案，在这些极端环境下，配套使用耐高温等级的信号线和连接电缆也是必不可少的。
在粉尘弥漫或烟雾浓重的环境中，空气吹扫装置通过在镜头上方产生均匀平稳的气流，在保持光学镜头清洁方面发挥着至关重要的作用。这种稳定且均匀的“气帘”可以阻止灰尘沉积，从而有助于维持测量精度并延长热像仪的使用寿命。为了进一步防止较大碎屑的伤害，快门机制可以在热像仪不工作时遮盖住光学镜头，从而最大限度地降低由于撞击或飞溅碎片（如碎玻璃）造成的损坏风险。
对于户外应用而言，配备坚固且耐候性强的防护罩至关重要。这些防护罩通常内置有加热器，使其能够在 −40 °C 至 +50 °C 的环境温度范围内正常运行。
即便是在不那么极端的环境中，选择合适的附件也同样关键。例如，可调节安装支架能够确保热像仪处于完美的定位，并使其顺畅地集成到生产设备之中。
在工业过程中，附件在复杂程度和成本方面往往未能得到应有的重视，但它们对于实现无缝集成至关重要。经过深思熟虑选出的防护罩、安装系统、耐高温电缆以及其他机械接口，是确保红外热像仪性能可靠并受到充分保护的基石。它们共同构成了一套完整的长期解决方案，足以应对各种苛刻的应用需求。
第 6 步：考虑如何将红外热像仪集成到工业过程的控制环路中。
红外热像仪可以无缝集成到各种机器和工业流程中。最新的工业型号通常具备自主运行的能力，这意味着它们可以直接并入控制环路，而无需配备专用电脑或复杂的软件设置。凭借自动热点追踪以及对工业现场总线系统（如 EtherNet/IP、ModbusTCP、EtherCAT、IO-Link 或 PROFINET）的良好兼容性，这些热像仪成为 OEM（原始设备制造商） 应用的理想选择。
许多此类红外热像仪还提供多个可独立缩放的模拟量输出，从而可以轻松地将实时温度数据发送至其他系统。
然而，在大多数情况下，软件是发挥红外热像仪全部潜能的关键。在评估解决方案时，检查软件是否包含适用于特定应用的所有必要功能至关重要。需要考虑的关键因素包括：使用简单便捷、数据导出选项以及直接系统集成。先进的软件应配备全面的记录与评估工具、实时分析功能以及灵活的显示选项。此外，软件还应支持针对设备的细节微调，例如：帧率调整、视场角（FOV）设置、通信配置、USB/以太网设置、固件更新以及在线配置文件下载。
如果提供的软件无法满足您的需求，热像仪理想情况下应支持用于自定义应用程序的软件开发工具包（SDK）。一个成熟的 SDK 将允许您在 Linux 和 Windows 平台上直接访问红外热像仪的接口，并支持多种编程语言。
第 7 步：选择拥有资深应用支持和服务经验的供应商或制造商。
选择正确的服务与支持至关重要——尤其是在处理红外传感这样复杂且灵活的技术时。值得信赖的红外热像仪制造商会将确保设备在未来数年内提供可靠性能视为首要任务。然而，真正的应用支持远不止于帮助客户根据需求选择合适的型号。
经验丰富的应用工程师能对项目的成功产生重大影响。他们提供的服务范围极广，从更新订单状态，到现场演示、测试，以及针对反射表面等棘手目标的测温技术提供专业建议。当问题出现时——无论是设备维修、故障排除还是额外的培训需求——售后服务质量以及技术支持团队的专业水平，便成为了评估供应商优劣的关键指标。
