新一代红外技术解决高速汽车测试问题

高速红外热像仪有助于改善设计阶段测试

内燃机、刹车片和轮胎以及高速安全气囊产品研发仅是能真正受益于高速、高灵敏度热特性测试的少数几个领域。不幸的是，传统的接触式温度测量工具（如热电偶）无法固定在移动物体上，并且非接触式温度测量工具（如点温枪甚至均流红外热像仪）根本不足以定格这些高速目标以测得精确的温度测量值。

没有合适的工具进行充分的热测量与测试，汽车设计工程师会损失时间和效率，且面临着遗漏会导致危险产品和高代价召回的缺陷的风险。例如，美国汽车制造商最近因安全气囊故障（从乘客激活系统有微裂纹到充气泵故障）召回了数百万辆汽车、多用途跑车和卡车。这些有缺陷的系统不仅会给司机带来危险，而且有损制造商的盈亏底线，这会导致制造商面临诉讼、罚款和公信力丧失。

新一代红外热像仪技术为工程师提供了一种解决方案。这些热像仪配备640×512像素的高分辨率探测器，能以1000帧/秒的速度捕获图像。此外，所采用的新型探测器材料，如应变层超晶格（SLS），具有较宽的温度量程，而且与之前的碲镉汞（MCT）和量子阱红外探测器（QWIP）材料相比，具有更出色的均匀性和量子效率。这些新技术，连同远程同步与触发能力，为工程师和技术人员提供了克服高速汽车测试困难所需的的工具。

高速挑战

测量快速移动目标的温度充满挑战。传统的温度测量形式，如热电偶，对于运动中的系统不切实际。像点温仪这样的非接触式温度测量工具缺乏测得快速移动目标的精确读数或准确描述高速目标的热特性所必需具备的快速响应速率。

配备非制冷型微测辐射热计探测器的红外热像仪也无法在极高速度下精确测量温度。这些热像仪具有较长的曝光时间，会导致热图像模糊不清。为了可视化快速移动目标并精确测量其温度读数，您需要一台具有较短曝光时间和快速帧频的制冷型红外热像仪。让我们研究这两种类型的探测器，以更好理解它们用于高速热测量的各自优点和缺点。

热探测器与量子探测器

热探测器和量子探测器之间的差异可以归结为传感器将红外辐射转化成数据的方式。诸如非制冷型微测辐射热计这样的热探测器对入射辐射能起作用。红外辐射加热像素，造成温度变化，这反映在电阻变化中。非制冷型微测辐射热计热像仪的优点有：经久耐用，轻巧便携和价格实惠。然而其缺点在于慢速帧频——大约60帧每秒——和较慢的响应时间（时间常数）。正因为如此，非制冷型微测辐射热计无法生成快速移动目标的清晰定格图像。而是，较慢的帧频和响应时间导致图像模糊不清，最终引起温度读数不精确。此外，慢速帧频还导致这些热像仪无法准确描绘快速升温目标的特征。

相比之下，由锑化铟（InSb）、铟镓砷化物（InGaAs）或应变层超晶格（SLS）制成的量子探测器为光电型。探测器的晶体结构吸收光子，这些光子将其电子跃迁至更高能态；这改变了材料的导电率。冷却这些探测器会使其对红外辐射极为敏感，其中某些探测器能检测到不到18 mK或0.018°C的温差。此外，量子探测器对温度变化反应迅速，时间常数达到微秒级，而不是毫秒级。这一特点与较短的曝光时间和高帧频相结合，使得量子探测器非常适合对高速运动目标进行定格摄影，从而测得目标的精确温度值，正确描述快速升温目标的温度随时间上升特性。这些红外热像仪通常价格更贵，体积也比非制冷型微测辐射热计热像仪更大：这些可能是某些研究团队需要考虑的因素。

不止于快帧频

正如前面略微提及的那样，以几十万帧每秒的帧频记录的能力仅是定格摄影的部分要求。该方程式的另一元素为积分时间，或者热像仪收集每帧数据所需的时间。

积分时间类似于数码相机的快门速度。如果快门打开时间过长，数码相机捕获的图像中的任何运动都会模糊不清。同样地，具有较长积分时间的红外热像仪记录的运动对象会模糊不清。例如在图像中，一只弹跳的球看起来就像一颗彗星——后面拖着运动轨迹。

一台热像仪具有的模拟转换器或信道数目，以及在高速状态下处理像素的能力也很重要。高速红外热像仪通常拥有至少16个信道和至少200百万像素/秒的处理速度——即像素时钟频率。相比之下，大多数低性能红外热像仪仅拥有4个信道，以50百万像素/秒以下的像素时钟频率运行。

检测目标的温度会影响积分速度，并最终影响数字计数。热像仪将数字计数转换成用于测得目标温度读数的辐射值。较热的目标发出更多的红外辐射能量，因此发射的光子也更多，而较冷的目标发射较少的光子。此处的挑战在于如何以较快帧频精确测量较冷目标的温度，因为快帧频要求更短的积分时间。

让问题变得更复杂的事实是老款探测器——采用上一代读出集成电路（ROIC）——在较低势阱填充条件下是非线性的。这导致非均匀性校正功能失效，进而引起较差的成像质量和不可靠的温度测量精度。如今，凭借新一代ROIC设计，探测器可为低势阱填充提供线性，允许高速（短积分时间）精确测量较冷目标。这就是为什么高速红外热像仪配备能对低势阱填充作出线性响应的新一代ROIC至关重要。

抓准时机

另一项需要考虑的因素是热像仪同步和触发外部事件的能力，如与旋转的制动盘和燃烧发动机的点火同步。当热像仪系统按内部时钟运行，探测器的积分起点和数据输出由时钟确定。如果无法准确对应积分时间，可能会错过事件的某些部分或整个事件。一个独立的触发系统有助于通过严格控制积分开始时间和帧频更好地同步记录。非制冷型微测辐射热计探测器不具备这种能力，因为它们拥有无法从外部控制的热电阻元件。这是光子计数探测器热像仪对高速热测试必不可少的另一个原因。

高灵敏度是关键

灵敏度高是制冷型红外热像仪的一项显著优势。制冷型红外热像仪能够检测到小至0.02℃的细微温度变化。通常，非制冷型红外热像仪的灵敏度约为0.03℃。虽然0.01℃的差异看上去可能极其微小，但是却相当于灵敏度提升30%。制冷型红外热像仪不仅产生更少的数字噪音，而且其生成的图像具有更丰富的细节。检测如此细微温度变化的能力有助于更好地检测较小的热点。

长波红外的优势

制冷型红外热像仪相对于非制冷型微测辐射热计热像仪的一项优势是能够检测到处于7.5 - 14μm波长范围内的长波红外辐射。相对于短波波段和中波波段，有更多光子通过长波波段，这意味着量子探测器收集到产生一个电荷的足够光子数所需的时间更短。具体地说，比如一个30℃的黑体在8-9μm波段发射的光子数比在4-5μm中波波段发射的光子数多将近10倍。一般来说，量子探测器在短波红外到中波红外波段工作。但是，由应变层超晶格（SLS）制成的探测器能检测到7.5-9.5μm波长范围内的长波红外辐射。因为有更多的光子可以检测，SLS探测器具有极短的积分时间，比InSb探测器快最多12倍。

与其它量子探测器相比，SLS探测器在将光子转换成电子方面更高效，在对较冷目标进行成像时具有更高的热对比度。长波红外SLS探测器的优点是具有较宽的温度量程和较短的曝光时间，如果目标升温范围较宽或在空间上快速移动。

成功等于安全

在汽车工程设计与测试阶段采用热成像技术，研发团队能更容易地识别缺点，以便提升产品总体性能与安全性。但是热像仪类型及特性会影响成像成功。选择具有最高速度、灵敏度和最快积分时间的制冷型红外热像仪有助于研究人员精确追踪高速应用上温度随时间变化趋势。这些热像仪还提供细节清晰的定格帧，因此研究人员能精确测量温度和描述其产品的热特性，从而识别问题开始的准确时刻。