- 8月 8, 2025
将热成像设备集成到安全监控系统中，是监控技术领域的一项重大成就，而这离不开其制造和加工过程的精准性。本文将深入探讨定制成像组件这一复杂领域，着重强调加工制造在红外热成像设备制造中的关键作用。从精密加工的镜头外壳到定制设计的红外探测器，每个组件的制造对于提升安全都非常重要。
本文不仅将剖析成像设备的复杂系统组成和运行机制，还将阐明设计这些精密成像组件时需考虑的关键因素以及所面临的挑战。
热成像摄像机的系统组成
热成像摄像机是现代安全监控的核心设备，由多个关键热成像组件构成，这些组件增强了其功能性。
1. 镜头与光学元件
热成像摄像机中的镜头能够将红外能量聚焦到传感器上，镜头的设计和材料决定了摄像机的视场角（FOV）以及能够捕捉的场景范围。考虑到镜头直径、焦距和安装螺纹等因素，成像设备的镜头组件必须定制，以适应特定的镜头尺寸和形状。
铣车复合加工是成像设备组件的主要制造方法，它不仅能确保加工精度，还能保证成像设备内各部件的正确对齐。镜头外壳的定制加工凸显了每个组件在热成像设备制造中的重要性。
2. 探测器
红外探测器是红外热成像仪的主要组件，主要负责捕获红外能量。探测器的分辨率由其像素配置决定，直接影响热图像的细节和准确性。
此外，探测器的热灵敏度是一项关键指标，它反映了摄像机分辨微小温差的能力。这种配置能够检测到低至0.01°C的微小温差，并通过各种色彩调色板进行显示。
光谱范围是另一个关键方面，大多数热成像摄像机的工作波长范围在8µm至14µm的长波光谱区，适用于从电气检查到消防等各种应用。
3. 图像处理与分析
最后一个组件是对捕获的红外数据进行处理和分析，先进的热成像设备采用了图像非均匀性校正、降噪和伪彩色增强等技术。这些处理技术能够优化原始热数据，提高图像质量和可读性。
复杂的算法被用于解读热数据，使摄像机能够区分物体和背景，并检测异常或特定的热特征。热成像摄像机正是基于这一原理，能够在完全黑暗或烟雾弥漫的环境中工作，因为它们依赖的是热特征而非可见光。
设计热成像组件时需考虑的因素
设计热成像组件需要密切关注材料选择、表面光洁度和加工部件的组装等方面。本节将深入探讨这些方面，强调实现最佳性能所需的技术和精度。
热成像设备制造中的材料选择
在制造热成像设备时，外壳和组件的材料应注重耐用性、轻量化设计和抗冲击性。
- 铝：由于其轻量化特性、出色的散热性能和耐用性，铝在成像设备加工中得到了广泛应用。它是成像组件加工的理想材料，能够在减轻重量的同时保持热稳定性。
- 镁合金：因其高强度重量比而被选为成像组件的加工材料。镁合金具有出色的热导率和机械性能，符合定制成像设备的要求。
- 工程塑料和聚合物：高质量聚合物因其轻量化设计、良好的热绝缘性和抗冲击、耐化学腐蚀以及适应环境条件的能力而被使用。这些材料为设备提供了额外的耐用性和抗外部冲击保护，确保了设备的可靠性。
- 钛合金：钛合金以其卓越的强度、耐腐蚀性和轻量化特性而备受推崇。它们适用于既要求耐用性又要求重量轻的应用场景，为成像设备的整体坚固性做出了贡献。
材料选择在定制成像设备中起着至关重要的作用。结合先进的加工技术，这些材料被转化为能够增强热成像设备功能和耐用性的组件。
加工成像组件的表面处理工艺
在成像设备加工中，高质量的加工表面光洁度能够确保镜头安装座或结构外壳等设备的最佳性能。
- 阳极氧化或化学薄膜涂层不仅能够提高耐腐蚀性，还能增强热发射率，这有利于保护成像设备组件暴露于红外辐射。
- 硬质氧化能够增强铝的表面硬度和耐磨性，使其适用于恶劣环境。这一过程还能提高材料的耐腐蚀性和热绝缘性能。
成像设备部件的组装测试
组装过程中的任何错位或缺陷都可能影响其准确性和灵敏度。
组装测试的一个关键方面是确保组件的密封和配合性能。适当的密封对于实现IP67防护等级至关重要。IP67等级意味着设备能够完全防止灰尘进入，并能够承受短时间的浸水，使其适用于各种具有挑战性的环境条件。
振动抗性和抗冲击测试能够确保传感器在高振动和潜在冲击环境中的可靠性。
图表展示了为评估柔性温度传感器的抗冲击和抗振动性能而进行的测试。振动测试使传感器承受10 Hz至2000 Hz的频率，并在不同条件下监测其输出。冲击测试则评估了传感器承受100g力的能力，模拟了突然的冲击。测试结果（包括实时传感器输出和温度稳定性（129°C–130°C））表明，该传感器对机械应力具有强大的抗性。
最后，热成像设备还需经过各种环境测试，包括暴露于不同温度、湿度和其他环境因素，以确保它们能够在不同条件下有效运行。
如何制造热成像设备？
多传感器增强型驾驶员视觉系统是一种多波段成像系统，可安装在陆地、海上和空中交通工具上，能够对大型关键基础设施和重型工业场地进行更高效、更频繁的现场和设备检查。
这种多传感器成像设备主要由传感系统、数据分析系统、主金属框架和外壳组成。传感系统通过具有不同特性的传感器组件检测和收集外部环境中的特征信号。数据分析系统负责结合、分析和输出传感系统收集的信息。金属框架起到固定和保护传感系统和数据分析系统组件的作用。外壳则作为整个系统的“盔甲”，通过部件间的密封处理将内部组件与外部环境隔离，最大限度地减少外部环境对传感系统和数据分析系统的影响。
本节将通过一个案例研究，介绍如何为重型工业场地定制多传感器视觉系统的主要金属框架。
1. 主要金属框架加工的材料要求
多传感器增强型驾驶员视觉系统通常安装在陆地、海上和空中交通工具上。它可能会暴露在极端环境中，如极端高温、极端低温、潮湿、干燥、氧化性和腐蚀性气体以及水下环境，同时还可能面临高强度使用场景，如振动和冲击。这对材料的强度、硬度、耐腐蚀性和体积密度提出了很高要求。
在这种情况下，铝合金6061-T6成为了理想选择之一。它不仅能够很好地满足上述应用场景的要求，而且在材料和加工成本方面相对于镁合金和钛合金具有成本优势。
2. 设计分析与加工工艺选择
在选择加工技术之前，我们必须仔细分析产品的设计图纸和部件的装配结构。
图中所示的框架结构由6个部分组成：前PCB支撑板、后PCB支撑板、上PCB支架、下PCB支架、TI探测器支架和EO支架。
2.1 防止PCB支撑板和支架在加工过程中变形
我们先来看看PCB支撑板和PCB支架。从图中可以看出，红色表面为安装表面，部件表面应相互对齐，然后用螺丝拧紧。因此，这四个部件的图纸相应位置有±0.01mm的平行度位置公差要求。
变形是加工这种薄而平的部件时最常见的问题。因为加工过程会改变材料的结构性能，同时也会破坏材料分子之间的应力平衡，使得型材容易发生翘曲和变形。
通常有两种方法可以克服这个问题：
第一种方法是在最终精加工之前添加热处理稳定化工艺。这种方法通常应用于要求极高精度的复杂结构件。
第二种方法是降低每次加工的进给速度，并增加加工次数。这样，材料中的应力可以逐渐缓慢释放，常适用于结构相对简单的部件。
在这种情况下，这四个部件可以采用第二种方法的逻辑进行加工，在为客户控制加工成本的同时达到部件的精度要求。
2.2 传感器支架
TI探测器支架和EO支架用于传感器部件，它们负责检测和收集外部环境中的特征信号。传感器组件安装角度和位置的偏差可能会影响输入数据的准确性。为确保部件的准确安装，必须对部件安装位置的精度提出高要求。
2.3 EO支架的加工
EO支架是低照度CMOS的外壳。安装位置的精度非常关键。因此，从图纸中我们可以看出，紫色EO传感器安装位置的位置精度是根据黄色表面A和红色表面B定义的，并有0.01mm的精度要求。紫色区域直径的精度为+0.02至+0.05mm，这不仅能够实现平稳安装，还能有效限制传感器在安装位置的振动。
加工EO支架有三个步骤：
- 首先，快速加工出部件的粗略外观，为后续的精密加工节省时间。
- 在第二次装夹过程中，通过复合车铣加工工艺一次加工出黄色、红色和紫色表面，使这三个位置特征能够满足图纸中的位置和尺寸精度要求。
- 最后，在第三次加工中完成剩余的结构特征加工。在这个过程中，需要设计合适的夹具以防止部件变形。
2.4 TI探测器支架的加工
TI探测器支架是热成像仪或短波红外成像仪的外壳。从图纸中我们可以看出，设计了四个孔用于固定关键部件。在这种情况下，圆心之间的距离非常重要，我们需要保持±0.01mm的公差。为了达到这样的精度要求，我们必须使用适当的装夹装置来确保工件放置平整且直立。
此外，两个红色孔为同心圆，两个紫色孔也为同心圆。同心圆应一次加工完成以确保同心度。
3. 表面处理考虑因素
部件加工完成后，表面处理是一个不可忽视的重要步骤。普通部件采用普通阳极氧化进行表面处理。然而，对于暴露在极端环境中的产品，军用三级硬质阳极氧化是更好的选择。
三级硬质阳极氧化的氧化层更厚，可达50μm以上，质地更致密，具有更好的抗划伤和耐腐蚀性能。
除了阳极氧化中通常需要考虑的操作要点外，根据案例中部件的特点，我们还需要注意以下两点：
3.1 选择合适的喷砂气压
在氧化处理之前，我们需要对部件表面进行喷砂处理，以覆盖CNC加工过程中产生的刀痕，使表面具有更均匀、完美的纹理。喷砂是利用高压气流将玻璃珠喷射到部件表面的过程，用玻璃珠堆积痕迹覆盖部件表面的原始痕迹。过大的冲击力可能会导致部件变形，因此我们应该根据部件的材料、结构和精度要求适当调整气流压力。
在本案例中，这些部件都容易变形，因此我们不应将气压设置得过高。
3.2 仔细清除盲孔中的金属碎屑
如果盲孔中的金属碎屑处理不彻底，在氧化处理后会在盲孔底部形成坚硬且难以去除的硬块，影响盲孔和螺纹的有效深度，进而影响产品的装配。
在本案例中，下PCB支架和上PCB支架各有6个非穿透螺纹，为盲孔结构。EO支架有4个非穿透螺纹，也是盲孔结构。如果它们被金属碎屑堵塞，导致有效螺纹深度不足，将严重影响部件的装配。
结论
热成像设备在安全监控领域的制造和加工展现了先进材料、精密工程和创新图像处理的完美融合。从精密制作的镜头外壳到用于图像分析的详细算法，定制成像组件代表了监控技术的前沿。
这些设备在从野火监测到工业安全等领域的广泛应用，凸显了它们的通用性和可靠性。这些定制设备制造过程中所固有的专注设计和测试流程，确保了它们符合有效且可靠的安全和监控解决方案所需的高标准。
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