网络摄像机和红外摄像机的共同点
现代热成像技术最吸引人的地方就是能看到局部变暖，从而发现环境中的薄弱环节。 基于更高效的红外光学图像传感器制造技术，这些相机的性价比大幅提高。 设备变得更小、更坚固，耗电量也更经济。 现在已经有了测量热成像系统，它与传统的网络摄像头类似，仅由 USB 端口控制和供电。
红外热像仪的功能与普通数码相机类似： 红外热像仪有一个瞄准区域，即所谓的视场（FOV），视场通常在 6° 和 48° 之间，分别适用于望远镜和广角镜头。 大多数标准光学器件的视场角为 23°。 物体距离越远，观测区域就越大。 但图像中代表单个像素的部分也在增加。 它的优点是，考虑到足够大的测量区域，辐射密度与距离无关。 因此，温度测量在很大程度上不受测量物体距离的影响。 [1]
在红外线的中段，热辐射只能通过锗、锗合金、锌盐或表面镜制成的光学器件聚焦。 与通常大批量生产的可见光光学器件相比，这些镀膜光学器件仍然是热成像仪的一个重要成本因素。 它们被设计成球面三透镜或非球面双透镜排列。 特别是对于带有可更换光学镜片的相机，必须对每个光学镜片的每个像素进行校准，才能获得正确的测量结果。
在全球使用的几乎所有热成像系统中，热像仪的核心部件都是焦平面阵列（FPA），它是一个集成的图像传感器，像素在 20,000 到 100 万之间。 每个像素本身是 17 x 17 μm2 至 35 x 35 μm2 bigmicro 波长计。 这些 150 毫米厚的热探测器会在 10 毫秒内被热辐射加热到物体和芯片温度差的五分之一左右。 这种极高的灵敏度得益于极低的热容量，以及与硅电路和排空环境的极佳绝缘性能。 半透明接收器区域的吸收能力，是通过传输光波和读出电路表面反射光波与后续光波的干涉来提高的。
光波。 [2]
要利用这种自干扰效应，必须将波长计区域与读出电路保持约 2 μm 的距离。 必须使用特殊的蚀刻技术来构造所应用的氧化钒或非晶硅材料。 所述 FPA 的比探测率达到 109 cm Hz1/2 / W 的值。因此，它比高温计中使用的其他热探测器好一个数量级。
随着螺栓计的固有温度变化，其电阻也在变化。 这种变化会产生一个电压信号。 快速的 14 位 A/D 转换器将放大和序列化的视频信号数字化。 数字信号处理正在计算每个像素的温度值。 它能实时生成已知的假色图像。 热像仪需要进行相对广泛的校准，在不同的芯片和黑体温度下为每个像素分配若干灵敏度值。 为了提高螺栓计的测量精度，FPA 通常被稳定在规定的芯片温度下，具有很高的控制精度。
由于性能更好、体积更小、价格更低的笔记本电脑、UMPC、上网本和平板电脑的发展，如今可以使用它们的
- 大显示屏，可呈现极具吸引力的红外图像、
- 优化的锂离子充电电池作为电源、
- 计算能力，可实现灵活、高价值的实时信号显示、
- 大容量存储器，可进行几乎无限量的红外视频记录和
- 以太网、蓝牙、无线局域网和软件接口，用于将热成像系统集成到应用环境中。
标准化、随处可用的 USB 2.0 接口可确保数据传输速率达到
- 30 Hz，图像分辨率为 320 x 340 像素和
- 120 Hz，图像大小为 20.000 像素。
2009 年推出的 USB 3.0 技术甚至适用于高达 100 Hz 视频频率的 XGA 热敏图像分辨率。 在热成像领域，网络摄像头原理的使用实现了全新的产品功能，大大提高了性价比。 红外热像仪通过 480 兆波特接口与基于 Windows 的计算机实时连接，计算机同时提供所需的电源。
USB 红外热像仪的硬件
过去，USB 被视为一种纯粹的办公通信介质。 但与火线不同的是，USB 2.0 的广泛使用引发了一系列发展，以提高其工业适用性，从而改善许多 USB 2.0 终端设备（尤其是 USB 摄像头）的可用性。 这些新开发的产品是
- 坚固耐用，最高温度可达 200°C，可使用长度达 10 米的 USB 电缆，也适用于电缆载体 [3]
- 带信号放大器的 100 米长 CAT5E（以太网）电缆延长线
- 光纤转 USB 调制解调器，光缆长度可达 10 千米 [4]
基于 USB 总线的高带宽，最多可通过一个标准集线器将 6 台 120 Hz 红外摄像机通过 100 米长的以太网电缆连接到一台笔记本电脑。
这种防水、抗震、抗冲击的红外热像仪符合 NEMA 4 级标准，因此也适用于测试间内的苛刻应用。 45 x 45 x 62 立方毫米的尺寸和 200 克的重量大大减少了冷却外壳和气囊的工作量。
由于红外热像仪的热漂移及其芯片上的信号处理，全球市场上销售的所有红外热像仪都需要每隔几分钟进行一次偏移校正。 这种校正是通过图像传感器前端的一个发黑金属片的电机驱动运动来完成的。 这样，每个图像元素都以相同的温度为基准。 在这些偏移校准过程中，红外热像仪当然是盲目的。 为了尽量减少这种干扰效应，可在适当的时间点通过外部控制引脚启动偏移校正。可在适当的时间点通过外部控制引脚启动偏移校正。
同时，摄像机的设计还能最大限度地缩短自我校准的时间： 在这里讨论的 USB 红外热像仪中，使用相应的快速传感器可在 250 毫秒内完成自我校准。这与眼睑运动的持续时间相当，因此对于许多测量过程来说都是可以接受的。 在输送带流程中，如果需要及时发现突然出现的热点，通常会使用动态差分图像来生成 “良好 “的参考图像扫描。 这样，就可以在没有机械运动部件的情况下实现连续模式。
特别是在使用 10.6 μm CO2激光器的应用中，外部控制光通道的关闭与这种自我保护模式的独立信号连接是非常有利的。 在 800 纳米到 2.6 微米的光谱范围内，工作激光器可以通过良好的滤波器阻挡所有其他典型的光谱，从而在工作期间测量温度。
所述热成像设备的主要应用领域包括
- 对产品和工艺开发过程中的动态热过程进行分析、
- 用于持续监测和控制加热和冷却程序的固定用途，以及
- 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来说，120 Hz 的视频录制速度非常有利。 仅在热像仪视场中短暂显示的热过程可以进行慢动作分析。 之后，就可以从这样的视频序列中生成具有完整几何和热分辨率的单幅图像。 此外，包括显微镜附件在内的可更换光学镜组为相机适应不同的测量任务提供了多种可能性。 虽然 9° 光学镜片非常适合从较远距离监控细节，但显微镜附件可用于测量 5.5 x 4.2 mm2大小的物体，几何分辨率为 35 x 35 μm2。
对于 USB 红外摄像机的在线使用，最好使用光学隔离的过程接口。 热图像生成的温度信息可以电压信号的形式提供。 此外，区域参考折射率和接触或非接触测量的参考温度可通过电压输入传送到摄像系统。 为便于记录，还可通过额外的数字输入来初始化快照和视频序列。 这些热图像可自动存储在中央服务器上。 可通过网络内的不同计算机监控生产批次中每件产品的温度，尤其是均匀性信息。
热分析软件确保灵活性
无需安装驱动程序，因为 USB 红外热像仪使用的是 Windows XP 及更高版本中已集成的标准 USB 视频类和 HID 驱动程序。 与单像素相关的视频数据实时校正和温度计算均在 PC 上完成。 通过基于软件的复杂渲染算法，以 VGA 格式计算温度阵列，仅 20 000 个传感器像素就能获得令人印象深刻的图像质量。 该应用软件具有高度灵活性和可移植性的特点。 除了热成像软件的标准功能外，还有一些高级功能，如
- 用等温线混合可扩展色板、
- 多种数据和热图像导出功能，支持报告和离线分析，可扩展的调色板带有等温线、
- 水平线和垂直线显示、
- 测量区域数量不限，并有单独的报警选项、
- 基于参考图像的差异视频显示、
- 不同相关区域的温度/时间图。
此外，软件还提供布局模式，可保存不同的显示调整。 集成的视频软件可以编辑辐射测量 AVI 文件。 这些文件还可以通过多个并行可用软件进行离线分析。 视频采集模式还允许间歇性地记录慢热过程并快速显示。
作为软件开发工具包的一部分，实时数据可通过全面记录的 DLL 传输到其他程序。 通过该 DLL 界面，还可以控制所有其他摄像机功能。 此外，软件还可以与串行端口通信。 通过该数据链路，可直接连接 RS422 适配器。
应用实例
下一章将讨论三个典型应用。 这些都是在广泛的相机使用领域中的代表范例。
优化生产流程
塑料部件（如 PET 瓶）的生产需要对所谓的瓶坯进行明确的加热，以保证吹塑成型时材料厚度的均匀性。 试运行时只使用少量 20 毫米厚的坯料，全速工作速度约为 1 米/秒。 为了测量瓶坯的温度曲线，必须以 120 Hz 的频率录制视频序列，因为在视场中，这些坯体所在的位置可能会发生变化。 摄像机的定位方式是以斜角跟随材料运动–类似于观看一列行驶中火车的最后一节车厢。 最后，红外视频序列可提供正确的温度曲线，这对于调整所有加热参数非常重要。
玻璃钢化生产线的线扫描
在建筑玻璃被切割成最终形状后，必须对其表面进行强化处理。 在玻璃钢化炉中，切割好的玻璃会被加热到约 600°C 的温度。 加热结束后，活动辊将材料从烘箱送入冷却区。 在这里，表面以相同的速度迅速冷却。 通过这种方式，可以产生精细的结晶硬化结构，这对安全眼镜尤为重要。 玻璃的精细结构，尤其是制动强度，取决于玻璃材料所有局部区域的均匀加热和冷却模式。
由于烤箱外壳和冷却部分彼此靠近，因此只能通过一个小缝隙来监控烤箱离开玻璃的表面。 因此，在红外图像中，材料只显示了几行。 软件将玻璃表面显示为由线条或线条组生成的图像。 这些线条是从每 8 毫秒记录的热图像中提取出来的。 相机以对角线模式测量插槽，使用 48° 光学镜片，整体视场角为 60°。 玻璃的发射率因镀膜层的不同而不同。 红外测温仪在这些表面的最佳波长 5 μm 处测量无涂层下侧的确切温度。 因此，可以计算出整个测量图像的校正发射率。 最后，这些测量图像可以对烤箱的所有加热部分进行精确调整，确保良好的热均匀性。
结论
新的红外成像技术在灵活性和可能的应用范围方面都是一项创新。 与平板电脑连接后，该设备除了能进行复杂的温度分析外，还能用于解决简单的维护任务。 除了 USB 红外热像仪测量头本身的硬件之外，所述热像仪系统的其他两个重要组件–Windows 软件和 PC 硬件–也可以在以后实现。 一方面，可以通过简单下载软件更新和扩展来实现。 另一方面，由于采用了标准 USB 接口，测量系统可随时与技术和功能更先进的 PC 硬件进行互补。
参考资料
- VDI/VDE 指南，技术温度测量 – 辐射温度计规范，2001 年 6 月，VDI 3511 第 4.1 页
- Trouilleau, C. et al： 高性能非制冷非晶硅 TEC 少 XGA IRFPA，像素间距 17 μm；”红外技术与应用 XXXV”，Proc. SPIE 7298, 2009
- 施米德加尔，T.；出色地解决了 – 使用 USB 2.0 对反射表面进行错误检测 – 工业相机，A&D Compendium 2007/2008，第 14 页219
- Icron Technology Corp.；《扩展 USB 的选择》，白皮书，加拿大本拿比，2009 年
