日本Thermera双色式热成像摄像机系统

——无需发射率校正的高精度二维测温解决方案

一、引言：非接触温度测量技术概述与传统方法局限

温度是工业生产和科学研究中最基本、最重要的物理量之一。在金属加工、热处理、粉体烧结、激光加工、燃烧研究等领域，精确测量高温物体的温度分布对于保证产品质量、优化工艺参数和确保生产安全至关重要。传统的接触式测温方法如热电偶、热电阻等，虽然精度较高，但存在响应速度慢、无法测量运动物体、容易破坏被测对象温度场等局限，在高温、高速、运动或腐蚀性环境中往往难以使用。

非接触式红外测温技术通过接收物体发出的红外辐射来测量温度，具有响应速度快、不接触被测对象、可测量运动物体等优点，在工业测温中得到了广泛应用。然而，传统的单波长红外测温仪和红外热像仪存在一个共同的局限——需要预先知道被测物体的发射率并进行发射率校正。发射率受材料种类、表面状态、温度、波长等多种因素影响，在实际测量中往往难以准确获取，导致测量结果存在较大误差。特别是对于表面状态变化的物体（如加热过程中的金属、氧化中的材料），发射率的变化会严重影响测温精度。

日本Thermera（サーメラ）双色式热成像摄像机系统采用2色法（双色法）测温原理，通过测量两个不同波长的辐射亮度比来计算温度，从根本上消除了发射率对测温结果的影响。该系统不仅能够实现高精度的非接触温度测量，还能够输出二维温度分布图像，可透过玻璃等观察窗进行测温，为高温过程的温度监测和分析提供了全新的解决方案。

二、产品概述：Thermera Photonics与Thermera系统

Thermera（サーメラ）双色式热成像系统由日本株式会社サーメラフォトニクス（Thermera Photonics）研发制造，株式会社ノビテック（Nobby Tech）负责销售。该产品荣获2022年日本“超”零件大奖“日本力奖”，是一款采用2色法算法的非接触式放射温度测量系统。

Thermera系统由专用相机单元和分析软件组成。相机单元能够同时获取选择的两个波长的图像，通过2色法算法实时计算每个像素的温度，输出二维温度分布图像。系统支持高帧率拍摄、实时温度测量和数据输出，可根据不同应用需求选择合适的相机配置。

Thermera系列目前包括多个型号：Thermera-HS（高速度型）适用于燃烧现象、金属熔融等高速高温过程的温度解析；Thermera-NIR3（高解像度型）于2026年4月发售，通过高分辨率化和设置性的提升，使高温过程的温度分布测量更加实用；Thermera-EX软件可配合高速摄像机拍摄的燃烧、爆炸等瞬态现象进行温度分析。各型号均采用2色法测温原理，无需发射率校正，可透过玻璃观察窗测温。

三、工作原理与技术特点

3.1 2色法（双色法）测温原理

2色法（双色法，Ratio Pyrometry）是一种通过测量物体在两个不同波长下的辐射亮度之比来确定温度的方法。根据普朗克黑体辐射定律，物体在特定波长下的辐射亮度是温度和发射率的函数。2色法选择两个相近的波长，假设物体在这两个波长下的发射率相等（灰体假设），则两个波长的辐射亮度之比仅与温度有关，而与发射率无关。

Thermera系统通过专用相机同时获取两个波长的图像，计算每个像素位置的辐射亮度比，然后与标准黑体的亮度比曲线进行对照，计算出该像素的温度。由于亮度比在两个波长发射率相等的条件下不受物质种类、表面状态、测量距离和角度的影响，因此无需进行发射率校正即可实现高精度的温度测量。

为了验证2色法的测温精度，Thermera进行了对比实验：将不锈钢金属板的一半涂覆黑体喷雾，另一半保持金属地肌，用喷灯同时加热两部分，使用2色法同时测量两部分的温度。实验结果表明，尽管金属地肌和黑体喷雾的发射率差异很大，但2色法测量得到的两部分温度基本一致，证明了2色法无需发射率校正即可实现高精度测温。

2色法测温验证实验（金属地肌与黑体喷雾对比加热）

3.2 可透过玻璃观察窗测温

传统的红外热像仪工作波长通常在8-14μm的长波红外区域，该波段的红外辐射无法透过普通玻璃，因此无法在真空炉、反应釜、高温观察窗等有玻璃隔离的环境中使用。而Thermera系统的测量波长在可见光到近红外区域，该波段的辐射能够透过普通玻璃、石英玻璃和亚克力等透明材料，因此可以透过观察窗对内部的高温物体进行温度测量。

这一特点使得Thermera系统特别适用于真空热处理炉、惰性气体保护炉、激光加工舱、高温反应釜等有观察窗的封闭环境中的温度监测。操作人员无需打开炉门或破坏密封环境，即可实时观察内部工件的温度分布，既保证了工艺环境的稳定性，又提高了操作的安全性。

3.3 二维温度分布成像

与传统的单点式红外测温仪只能测量一个点的温度不同，Thermera系统采用面阵相机，能够同时获取整个视场内的二维温度分布图像。系统不仅能够测量单点温度，还能够掌握整个面上的温度分布，直观且定量地确认温度不均匀以及热量扩散的情况。

Thermera的分析软件提供丰富的温度分析功能，包括：实时温度图像显示、最高/最低/平均温度统计、任意区域温度分析、温度剖面线分析、温度历史趋势记录、温度报警设定、数据导出等。用户可以在PC画面上实时确认温度分布，还能通过积累温度数据将其作为记录保存下来，充分考虑了生产现场的易用性。

四、核心技术优势

4.1 无需发射率校正，高精度测温

Thermera系统最核心的优势是采用2色法测温原理，无需发射率校正即可实现高精度温度测量。传统的单波长红外测温仪需要预先输入被测物体的发射率，而发射率受材料种类、表面粗糙度、氧化程度、温度等多种因素影响，在实际测量中往往难以准确获取，导致测量误差较大。特别是对于加热过程中表面状态不断变化的金属材料，发射率的变化会严重影响测温精度。

Thermera的2色法通过两个波长的辐射亮度比来计算温度，在两个波长发射率相等的条件下，亮度比不受发射率影响，因此无需进行发射率校正。即使在金属表面氧化或存在材质差异的情况下，也能实现准确的温度测量。这一优势使得Thermera特别适用于金属加热、热处理、焊接等表面状态变化的高温过程测温。

4.2 实时监控与记录，提高可追溯性

Thermera系统支持实时温度监控和数据记录功能。系统能够以高帧率连续获取温度图像，实时显示在PC画面上，操作人员可以直观地观察温度分布的变化过程。同时，系统能够将温度数据和图像数据连续记录保存，便于后续的分析和追溯。

通过获取高精度的二维温度图像，Thermera能够实现温度的实时监控，提高生产过程的可追溯性。在质量管理日益严格的今天，温度数据的完整记录对于产品质量追溯、工艺参数优化和问题原因分析具有重要意义。Thermera的连续记录功能能够将整个生产过程的温度变化完整保存下来，为质量管控提供可靠的数据支撑。

4.3 设备联动与生产自动化

Thermera系统不仅能够记录温度数据，还可以发出报警信号或以CSV格式输出温度数据，从而实现与其他处理设备的联动。用户可以根据温度测量结果设定报警阈值，当温度超过设定范围时系统自动发出报警信号，提醒操作人员及时处理。同时，系统可以将温度数据以标准CSV格式输出，便于与PLC、DCS等控制系统集成，实现生产过程的自动化控制。

将Thermera测量的温度输出到现有控制装置中，有助于实现生产线的自动化。例如，在热处理生产线中，可以根据工件的实时温度自动调节加热功率和传送速度，实现温度的闭环控制；在焊接生产线中，可以根据焊接区域的温度分布实时调整焊接参数，保证焊接质量的一致性。这种设备联动能力使得Thermera不仅是一个测量工具，更是生产自动化系统的重要组成部分。

4.4 高速现象温度分析

Thermera系统支持高帧率拍摄，能够对燃烧、爆炸、激光加工等高速瞬态现象进行温度分析。配合Thermera-EX专用软件，系统可以对高速摄像机拍摄的燃烧、爆炸等瞬态现象的图像进行温度分析，还原高速过程中的温度变化历程。

在燃烧研究领域，Thermera能够测量火焰的二维温度分布，分析燃烧过程中的温度变化和热量传递；在爆炸研究领域，系统能够捕捉爆炸瞬间的温度场变化，为爆炸机理研究提供数据支撑；在激光加工领域，系统能够实时监测激光与材料相互作用区域的温度分布，优化激光加工参数。这种高速温度分析能力使得Thermera在科研和工业领域都具有广泛的应用价值。

五、应用领域

5.1 金属加工与热处理

在金属加工和热处理领域，温度是决定产品质量的关键因素。Thermera系统可用于锻造、轧制、热处理、焊接、表面处理等工艺过程的温度监测。在锻造过程中，系统能够实时监测锻件的温度分布，确保锻造温度在合适的范围内，避免因温度过高或过低导致的锻件缺陷；在热处理过程中，系统能够监测工件在加热、保温、冷却各阶段的温度变化，优化热处理工艺参数，保证产品的力学性能。

特别是对于焊接过程，Thermera能够测量焊接熔池和热影响区的二维温度分布，分析焊接热循环对焊缝组织和性能的影响。系统无需发射率校正的特点，使其能够准确测量焊接过程中表面状态不断变化的金属温度，为焊接工艺优化和质量控制提供可靠的数据。

5.2 粉体材料与烧结过程

在粉体材料和烧结领域，温度分布的均匀性直接影响烧结产品的密度、强度和微观结构。Thermera系统可用于粉末冶金、陶瓷烧结、硬质合金烧结等过程的温度监测。系统能够透过烧结炉的观察窗，实时监测烧结过程中工件的温度分布，确保温度均匀性，避免因温度不均导致的产品变形、开裂或性能不一致。

对于粉体材料的加热和反应过程，Thermera能够测量粉体床层的温度分布，分析热量在粉体中的传递规律，优化加热工艺参数。在新材料研发领域，系统可用于研究新型粉体材料的烧结行为、相变过程和反应动力学，为材料开发提供重要的温度数据支撑。

5.3 激光加工与3D打印

在激光加工和增材制造（3D打印）领域，激光与材料相互作用区域的温度场对加工质量具有决定性影响。Thermera系统可用于激光切割、激光焊接、激光熔覆、选择性激光熔化（SLM）等工艺的温度监测。系统能够实时监测激光作用区域的温度分布和熔池形态，分析激光加工过程中的热传递规律，优化激光功率、扫描速度、光斑直径等工艺参数。

在金属3D打印过程中，熔池的温度和冷却速率直接影响成形件的微观组织和力学性能。Thermera能够逐层监测熔池的温度分布，发现温度异常区域，及时调整工艺参数，减少成形缺陷，提高产品质量。系统可透过加工舱的观察窗进行测温，不影响加工环境的惰性气体保护，特别适用于金属增材制造过程的在线监测。

5.4 燃烧与能源研究

在燃烧和能源研究领域，温度场是理解燃烧机理、优化燃烧器设计、提高能源利用效率的关键参数。Thermera系统可用于内燃机燃烧、锅炉燃烧、燃气轮机燃烧、废弃物焚烧等过程的温度监测。系统能够测量火焰的二维温度分布，分析燃烧过程中的温度变化、热量释放和污染物生成规律，为燃烧器优化和节能减排提供数据支撑。

配合高速摄像机和Thermera-EX软件，系统还能够对爆炸、爆轰等瞬态燃烧现象进行温度分析，捕捉爆炸瞬间的温度场变化，为爆炸机理研究和安全防护设计提供重要数据。在新能源领域，Thermera可用于电池热失控、燃料电池反应等过程的温度监测，为新能源技术的研发和安全评估提供支持。

六、总结

日本Thermera双色式热成像摄像机系统以2色法测温原理为核心，从根本上解决了传统红外测温需要发射率校正的痛点，实现了无需发射率校正的高精度非接触温度测量。系统可透过玻璃观察窗测温，能够输出二维温度分布图像，支持实时监控、数据记录、设备联动和高速现象分析，为高温过程的温度监测和分析提供了全新的解决方案。

Thermera系统在金属加工与热处理、粉体材料与烧结、激光加工与3D打印、燃烧与能源研究等领域具有广泛的应用前景。其无需发射率校正的特点，使其特别适用于表面状态变化的金属材料加热过程测温；透过玻璃测温的能力，使其能够在真空炉、反应釜等封闭环境中使用；二维温度成像功能，使其能够直观掌握整个面上的温度分布和热量扩散情况。

随着工业4.0和智能制造的推进，生产过程的温度监测和数据追溯需求日益增长。Thermera系统以其高精度、非接触、二维成像、设备联动等特点，有望成为高温过程温度监测的重要工具，为提高产品质量、优化工艺参数、实现生产自动化提供有力的技术支撑。