就像蛇利用它们敏感的热成像系统捕获猎物一样，越来越多的维修工人在热成像摄像仪的帮助下发现了许许多多隐藏的问题。让我们一起来通过测试了解一下这些热成像摄像仪有什么不同，它们又是怎样进行测试的。

时间：11点43分，地点：勒沃库森市某塑料生产厂控制室；值班班长Erlatt先生已经无数次地启动塑料生产设备生产新产品了，但今天他却忙得满头大汗。在他面前的巨大显示屏中，主反应器的图标一开始就闪烁着黄色的警告，不久就变成了红色。在他仔细查看放大温度检测点的图像之前有一点是可以肯定的：没有操作程序中的错误。

这一批次的产品可能无法挽救了，尽管这样，还是要迅速地查明原因、排除故障。他向安全保障部门作了汇报，生产领导人打电话通知维修人员用热成像摄像仪查明原因。因为故障的原因可能就是蒸汽泄露。

实践中的热成像摄像仪

若上面描述的情况真的是由主蒸汽管道的泄露或者隔离层损坏而引起的，则我们的值班班长只需看看窗户外面就可以了。但若是远处出现的泄露或者是从外部看不到的地方出现了泄露，则问题解决起来就难多了。此时，使用热成像摄像仪进行检查就是一种很有帮助的检测方法，包括对那些人员不易接近的管道进行检测。

图1 在霍伦霍夫IOSB研究所完成了热成像摄像仪的检测之后，我们的编辑当然也想亲手‘测试一下’

许多流程工业企业的维修班组都在实际工作中使用了或者计划购置这种仪器设备，这是非常有意义的，因为热成像摄像仪远比人类肉眼看到的东西要多，其应用涵盖了冷、热介质的泄露点检查，压缩空气管道泄露的检查，蒸汽容器、管道的泄露检查。包括安装有误或者出现问题的电动机也可以利用这种仪器很快检查出来。很多情况下它也可以用于反应釜由热交换器流量不均匀而出现的热点检测。而这种不均匀的流量引起的热点往往是产品成分不佳的根源。

它使我们能够看到热成像摄像仪在许多地方都是有用的，能够从不同的角度对流程设备的现状给出有说服力的证据。例如，在冷却器或者热交换器中出现了不均匀的热分布则表示它们需要清理了。耐火材料衬里的反应釜出现热点清楚地说明了将会出现致命的风险。

在过去几年里，这种热成像摄像仪还属于一种价格昂贵的高科技产品，而现在的市场中已经有了经济实惠型的热成像摄像仪了。但这些热成像摄像仪之间有什么区别呢？哪些生产厂家生产的产品是放心产品？各种热成像摄像仪之间性能的典型区别是什么？在购买这种摄像仪时视野、超高分辨率又有什么意义呢？

为了能够在用户选购热成像设备时提供一些帮助，流程工业杂志对这类产品进行广泛的性能测试。我们也想清清楚楚地知道这些事情，把技术领先的热成像摄像仪生产厂家介绍给大家。由于我们的编辑都是流程工艺技术领域中的编辑不同于光电技术领域中的专家，因此委托霍伦霍夫IOSB光电系统技术和图像分析研究所进行了技术测试。Ettlingen市IOSB研究所的技术人员是评判热成像技术参数的专家。

图2 在可见光谱范围内什么都看不到，红外线热成像摄像仪（例如这里使用的Flir GF 320）就能够清楚地显示电缆套管处出现的气体泄漏（黑色、变化的烟雾）

测试详述

三个厂家提供了自己生产的热成像摄像仪各两台供测试使用。流程工业杂志的编辑委托IOSB研究所的专家们对所有热成像摄像仪的下列参数进行测试：

视场；

总噪音；

线分布函数和调制传递函数；

有、无超高分辨率功能时温度检测的精度与被测物体大小的关系。

最终参与测试的六种热成像摄像仪的型号为：

Flir系统公司，E30 SN 49000139；

Flir系统公司，T440 62100150；

Nec Avio红外技术公司，G120EX SN；

Nec Avio红外技术公司，R300W2 SN；

Testo公司，875-2i SN 2359038；

Testo公司，T885 SN 2337099。

这些热成像摄像仪与测试项目有关的基本参数都汇总在表1中。有些需要用户自行设置的、涉及到测试项目参数的也列在表格中。其他所有的详细数据和表格以及我们在测试中心拍摄的视频资料都可以在www.process.de网站中查寻到。

热成像摄像仪的视场

视场是由光学镜头的焦距和红外探测器的像素数和中心距决定的。对视场有着最重要影响的则是由焦距和中心距决定的空间分辨率（IFOV）。它描述的是热成像摄像仪的名义几何分辨率。空间分辨率IFOV越小，则在条件相同时就可以得到更加细致的图像。因此，空间分辨率IFOV和视场两者之间总是要有一定的协调、折中。在空间分辨率不变的情况下，则表示有着较小空间分辨率的大视场，反之则为有着较大空间分辨率的小视场。总体来说，它对于衡量热成像摄像仪的质量来讲不是一个非常重要的参数。

专家们用了一个集成了角度检测装置的回转台对热成像摄像仪的视场进行检测，角度检测装置可以在水平和垂直两个方向对摄像仪的视场角度进行检测。根据检测到的视场数据换算出各个摄像仪的空间分辨率IFOV，这就保障了各个摄像机的检测与具体的局部方向无关。

图3 利用热成像摄像仪可以迅速地检测和分析电动机的故障和接线错误

小结：被测热成像摄像仪的空间分辨率IFOV的最大、最小值相差三倍；Testo公司的T875i摄像机的空间分辨率IFOV达到了3.5mrad。数值较小的仪器可能会在表格的最底行中看到。

热成像摄像仪的总噪音

通常情况下，热成像摄像仪的噪音可分为瞬时噪音和不均匀性噪音（英语中称之为固定模式噪音）。在检测这两种噪音源时要求绘制图形序列，而对所有的被测摄像仪都绘制图形序列几乎是不可能的。因此测试组决定只对总噪音进行测定。这也是一个很有说服力、说明上述两种噪音叠加情况的参数。它表示的是在不同温度差等级中各个摄像仪在相同温度条件下在一幅图片中实现信号—噪音比为1时所必需的条件。

小结：在所有被测仪器中，Testo公司的T885检测到的总噪音最低。它的总噪音值非常低，以致于怀疑有没有必要进行附加的信号处理了，但没有规定对辅助信号处理的效果进行检测，其他生产厂家的产品也有类似技术，但都没有对开启辅助信号处理的情况进行检测。但这一热成像摄像仪图像中的低频结构也最明显，可以看出：使用或者不使用高通滤波器是有着很大差异的。从图像中有、无低频结构的角度来看，Flir公司的E30最好。总体而言可以说：配用160×120规格红外线探测器的摄像机总噪音比配用320×240探测器的要大。

图4 热成像摄像仪的一个根本区别在于其结构形式：是喜欢摄像机式的结构设计还是手枪式的结构设计？两种结构形式各有千秋。图示是Testo公司研发生产的875i型3.5寸屏手枪式热成像摄像仪

LSF和MTF表示什么意思

线分布函数（英文缩写为LSF）和调制传递函数（英文缩写为MTF）描述的是热成像摄像仪电－光的质量。在检测线分布函数LSF和调制传递函数MTF时有许多常见的、公认的、各有优缺点的方法。霍伦霍夫研究所推荐的、在测试过程中使用的“斜边方法”就是一种这样的方法。在这一方法中，选取的“斜边”与焦平面阵列有一相对较小的由黑色辐射体前很薄的、具有漫反射功能的金属薄片产生的角度。

沿焦平面阵列对在微小角度下精细扫描得到的斜边边缘轮廓进行分析。斜边轮廓的微商是线分布函数LSF，经傅里叶变换得到的是调制传递函数MTF。由于在水平和垂直空间方位上可能有不同的属性，因此测试是在两个方向上进行的。

作为一个特性参数，线分布函数LSF是在两个方向上各自总宽度的95%范围内进行测定的。线分布函数LSF的相对宽度在空间分辨率IFOV的2~3倍之间变化。这一被测参数的好坏与生产厂家有着密切的关系。检测结果是：Testo公司的线分布函数约为2.1，Nec Avio公司为2.4，Flir公司约为3。

图5 容器中的液位也可以用另外一种方法检测了：热成像图像清楚地告诉您容器中的液体高度位置

所有的热成像摄像仪的调制传递函数MTF都明显地使用了二次采样，就像利用光学小孔的焦平面阵列所需的那样。测试中发现：Nec Avio公司的R300W2以及Flir公司的E30和T440在水平和垂直两个不同方向上的调制传递函数MTF没有差异。其他型号的热成像摄像仪在水平方向的调制传递函数MTF比垂直方向的要好。

温度准确性

温度准确性检测时确定的温度范围为5~55℃。5℃是可以使用黑色辐射体时最低的现场温度。上限温度是由Nec Avio公司热成像摄像机的检测使用范围所决定的。

在检测热成像摄像仪温度检测的准确性时，黑色辐射体与热成像摄像仪之间的距离有着严格的间距。同时，黑色辐射体也位于检测范围的中间，它到各个被测摄像仪之间的间距保证各热成像摄像仪都有着大致相同的检测表面积。检测时在5~55℃之间，每5K为一个检测等级。在各个等级中对热成像摄像仪的温度检测准确性进行检测。在拍摄的热成像照片中测定黑色辐射体中部正方形范围内的平均温度，并将这一测定的平均温度与黑色辐射体设定的温度进行比较。在理想情况下，测定的温度就是黑色辐射体设定的温度。

小结：除Flir公司的E30之外，其他所有的热成像摄像仪的检测精度都在生产厂家规定的精度范围之内，误差在毫开尔文的范围内。对于E30，在检测时发现它的标定有误，得出稳定检测精度数据没有代表性。Nec Avio G120EX热成像摄像仪检测到的温度数值与黑色辐射体的设定温度差异最小。

只有Testo T885和Nec Avio R300W2摄像仪的检测误差可作为偏移误差来看待。偏移误差指的是：检测到的温度与实际温度有恒定的差异。任何时候扣除这一差值后，两者的温度数值是相符的。相比较，非偏移误差则不是这样了：从某一基准温度点开始，随着温度的升高或者降低偏差越来越大。这种非偏移误差也会带来温度检测的差异。

温度和被测对象的大小

温度与被测对象大小之间的关系是一个非常重要的参数。然而对于这一重要参数却没有明确的测试技术规范。因此，霍伦霍夫研究所进行的测试中取95%的值作为特性指标。

在确定被测对象大小对温度检测的影响时，热成像摄像仪垂直于被测样件，被测样件的后方有一辐射不同温度的黑色辐射体。各次测试中，摄像仪与被测样件之间的光轴始终保持一致。在可俯仰摆动工作台的帮助下，摄像仪可以在高度位置和左右位置（X轴和Y轴）进行定位调节。与保持样件之间的间距（Z轴）则始终保持不变。

检测的结果是温度升高和降低时正方形开口大小与温度的相互函数关系。这一曲线告诉我们：在方孔尺寸增大时温度为一常数。方孔尺寸减小时现场温度高时会降低、现场温度低时会升高。

小结：这一试验中，性能最好的摄像机是Flir公司的产品；性能最差的摄像机也是Flir公司的产品。最好的是E30，最差的是T440。由于这一试验中探测元器件之间的串扰是影响试验结果决定性的重要因素，因此热成像摄像仪的安置应像线分布函数LSF检测时一样。在这样的情况下只有Flir公司的E30测得的结果比预想的要好。为什么会这样至今仍然是个迷。

超高分辨率的作用

三种热成像摄像仪（Testo公司的两种和Nec Avio R300W2）具有所谓的超高分辨率的摄像功能。所谓的超高分辨率功能是一种提高热成像照片质量的功能。使用超高分辨率功能时要使用专门的图像处理工具，这一工具既可安装在热成像摄像仪中，也可通过图像处理软件来提高各帧照片的分辨率。但在使用这一功能时只能采用手持摄像仪的方式进行拍摄。在对这三种摄像仪进行测试时，检测人员只进行了三个参数的检测：温度检测的准确性、温度与被测对象大小的函数关系和超高分辨率在有着4个测试条纹测试样件时的作用。迄今为止，在热成像摄像仪超高分辨率的检测中也没有标准的检测方法。

小结：Nec Avio R300E2型热成像摄像仪使用超高分辨率之后把总噪音从47mK降低到了33mK，减少了30%。原因是：除了有更低的噪音以外还有更高的响应性能。在超高分辨率功能的检测中，检测到的黑色辐射体平均温度的偏差为901mK。比没有超高分辨率的热成像摄像仪提高了1.8倍。这种温度检测精度的整体降低令人感到意外，道理上也解释不通，因为超高分辨率功能实际上是应该没有影响的。在温度与被测样件大小的函数关系检测中，超高分辨率基于95%值的温度准确性提高了22%左右。

在Testo公司研发生产的875i型热成像摄像仪设定温度和实测温度之间有着很好的、几乎是线性的函数关系。其中，使用和不使用超高分辨率功能的线性斜率是非常吻合的，但回归线的斜率与理想斜率之间有偏差。也就是说：温度差的变化不是线性的。但Testo公司送检的两种热成像摄像仪的偏差都在生产厂规定的允许偏差±2K范围之内。

温度与被测样件大小的相互关系怎样呢？Testo公司的热成像摄像仪在使用了超高分辨率功能之后95%温度检测精度变得更差了，降低了大约35%。而Nec Avio公司的R300W2则相反，提高了大约23%。检测时发现：Testo公司的两种摄像仪在使用超高分辨率功能时有软件设计不足的缺陷，超高分辨率算法语言引起了图像质量的改变。这一点在温度偏差和大小偏差之间有什么关系，生产厂家原来的期望是什么，请阅读采访报道。

在对4条纹试样的检测中，Testo公司的摄像仪证实了自己超高的频率分辨率。在奈奎斯特频率以上频率段时，Testo的摄像仪是很好的二次采样摄像仪；也就是说在二次采样的情况下未使用超高分辨率时通常只能在4条纹测试中识别到2条或者3条条纹，在使用了超高分辨率之后可以清楚地分辨出4条条纹。而Nec Avio公司的R300W2则不能清楚地分辨出这些条纹，还必需根据拍摄的照片进行猜测。

小结

让编辑感到高兴的是：没有一部被测试的热成像摄像仪不合格。总的测试数据都在生产厂家规定的技术规范之内。测试确认的缺陷和不足，例如超高分辨率中测试中出现的问题，也都得到了专家们的高度关注。这里，我们提醒用户在选择时要在理论精度和物理精度，在工作准确性和日常使用可靠性之间做出抉择。本文的重点不是在最后介绍超高分辨率的问题。相反，您计划中的使用情况、辅助功能和可用性在您的投资预算中至少扮演着同样重要的角色。

这样，若值班班长Erlatt的维修团队要用热成像摄像仪查找蒸汽泄漏的位置时就有许许多多可以选择、使用的仪器设备了。

高估了，但千万不能忽视

新的功能和超高分辨率是一个魔鬼。到现在为止还没有对这一魔鬼统一的检测方法。但生产厂家们都在这一功能的使用中走上了正确的道路。对此，我们采访了Testo公司热成像检测技术部的领导人Martin Stratmann博士，听听他是如何解释的。

PROCESS：我们的测试结果表明：所有的热成像摄像仪在使用了超高分辨率功能之后性能都有了改进。但在Testo公司的热成像摄像仪中出现了不应有的均质结构。在棱边处也有一些类似算法语言中边缘增强的效应。这是为什么？

Martin Stratmann：在研发超高分辨率这一功能时我们着重关注的用户是那些想要在探测器分辨率界限边缘附近检测较小泄露点的用户。利用解卷积的方法可以把温度突变也清晰地显示在图像中，例如在陡峭的边缘处、出现过调时、迅速消退时。

PROCESS：用户怎么做才是对的？他们的检测是错误的吗？

Martin Stratmann：对用户来讲，他们最重要的是不要忽视了这一问题。利用我们提供给他们的技术会提高热成像摄像仪的分辨率。当被测对象低于检测分辨率时，检测值有很少的一点提高，最糟糕的情况仅仅是使用户对热点略微高估了一点。但却大大降低了用户忽视这一热点的概率。由于这一方法能够把很容易被忽视的、被测对象很小的热点、冷点显现出来，因此从我们的观点来看是一项对用户非常有益的功能。

备注：测试是由霍伦霍夫IOSB光电系统技术和图像分析研究所完成的。在此，对实验员Uwe Adomeit先生表示衷心的感谢。可登录本刊网站了解全部表格数据和详细的检测报告。