当你无法清楚了解测量仪器所导出测量数据的敏感性级别和精度,便很难相信这些数据,而红外热像仪常常会被归到这一测量仪器的类别之中。而且,在讨论红外热像仪的测量精度时,常常会用到一些令人困惑不已、产生误解的复杂术语和行话。最终使一些研究人员完全对这些工具绕行而走。不过也因此,他们会与其在研发热测量应用所具有的潜在优势失之交臂。
在下面的讨论中,我们会避免使用技术术语,以直白的语言阐述红外热像仪在测温上的不确定性,让你对此有基本的了解,从而帮助你理解红外热像仪标定流程和精度。
热像仪精度规格与不确定性方程式
或许大家会注意到,大多数红外热像仪的数据规格手册上的精度规格会显示为±2℃或读数的2%。这仪规格数据基于广泛采用的名为“平方和根值”(RSS)不确定分析技术结果。
这里需要说明的是,目前所讨论的计算值有效的条件是只有当热像仪用于实验室或户外短距离范围(20米以内)。由于大气吸收因素,还有影响程度较小的发射率因素,距离变长会增加测量值的不确定性。
当红外热像仪的研发工程师在实验室条件下对大部分现代的红外热像仪系统采用“平方和根值”的分析方法时,所得结果近似为±2 ˚C或2% — 因此成为热像仪规格参数中使用的合理精度率。
但是,实践表明,诸如FLIR X6900sc的高性能的热像仪比FLIR E40的经济型热像仪的精度效果要好,因此,我们仍需要做些工作来更好地解释这一观察结果。
实验室测量值和±1 ˚C或1%精度
我们发现在观察已知发射率和温度的物体时,热像仪实际产生的温度测量值。此类物体一般指代为“黑体”。在引用已知发射率和温度的物体的理论概念前,你可能听说过这个术语。黑体的这一概念也用来指代一些实验室设备。
图1.位于美国佛罗里达州尼斯维尔的FLIR温度记录校准实验室。
图1显示的是FLIR校准实验室里1/4圈的21个以上腔式黑体。
实验室测量值的不确定性包括将校准热像仪指向校准的黑体,并画出随时间变化的温度变化。虽然经过仔细的校准,但在测量中总会出现一些随机误差。所产生的数据集可以对精度和精确性进行量化。请参见图2的校准黑体测量值结果。
图2.观测37 ˚C黑体时典型FLIR A325sc红外热像仪的响应值。
图2的图形显示的是FLIR A325sc红外热像仪在室内距离0.3米观测37 ˚C黑体的2 小时以上的数据结果。
热像仪每秒记录一次温度。数据图形是图像中所有像素的平均值。数据直方图虽然显示得更清楚,但大部分的数据点都位于36.8 ˚C至37 ˚C之间。记录的最宽温度范围是从36.6 ˚C至37.2 ˚C。
我们来看下这个数据,所有像素平均值的预期精度可能达到0.5 ˚C。有些人可能甚至会声称FLIR A325sc等使用相同探测器的其他热像仪的精度为±1 ˚C。不过,也有些人可能会辩称,上面图形显示的是所有像素的平均值,可能并不能代表个别的像素。
了解所有像素彼此有多一致的一种方法为观察标准差和时间。