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2022年4月20日 星期三
· 熱成像為溫度測量帶來新應用
熱成像應用和操作——它們是如何工作的！
Thermal Imaging Application and Operation – How they work!
通常不透明的包裝塑料在 SWIR（短波紅外線） 中的透射率，通常高於在可見光範圍內的透射率，這使 SWIR 攝影機能夠輕鬆檢測對 SWIR 波長透射率較低，甚至吸收能力強的內容物的填充情形（左）。偽調色板用於突出或強調人類觀察者的溫度變化，而不改變底層像素的溫度值（右）。由 MoviTHERM 提供。
儘管如此，紅外線和熱成像對於許多最終使用者來說仍然是個謎。即使是熟練的機器視覺整合商，也可能難以實施不可見成像技術。這並不奇怪，因為人類缺乏視覺感知溫度的能力。
為了更好地理解紅外線和熱像儀可以做什麼，使用者必須了解攝影機的工作原理，以及所涉及的物理原理。與主要在 400 和 700 nm 之間的可見光譜中，運行的標準機器視覺攝影機相比，紅外線和熱像儀技術涵蓋了更寬的光譜範圍，細分為三個區域：0.9 和 1.7 µm 之間的短波紅外線 (SWIR)、中波紅外線 (MWIR) 介於 3 和 5 µm 之間，長波紅外線 (LWIR) 介於 8 和 14 µm 之間。
光譜帶規格，由用於各種攝影機的檢測器技術的特性定義。光譜帶源自檢測器材料，對其敏感的波長。物理學文獻可能會根據科學原理，以不同的方式分離這些紅外線光譜帶。
進入 SWIR
許多常見應用都可以從每個波段的檢測中受益。並非所有都涉及溫度測量。有些人在光譜選擇性反射、吸收和/或透射方面利用材料科學的物理學。
例如，通常不透明的塑膠包裝，在 SWIR 中的透射率，比在可見光範圍內的透射率更高，這使 SWIR 攝影機能夠輕鬆檢測對 SWIR 波長透射率較低，甚至吸收能力強的內容物的填充情形。結果是 SWIR 圖像的對比度足夠好，可以進行檢查。
SWIR 技術也適用於農業，它可以監測作物和植物的健康狀況、檢測瘀傷或測量水果的含糖量。所有這些應用都使用某種形式的光譜反射率、吸收率或透射率，作為基本檢測方法的基礎。
使用 SWIR 相機測量溫度時，重要的是要了解，在 SWIR 光譜區域中，大部分信號仍由反射光產生，而不是由輻射的紅外能量產生。這可以通過依賴可見日光的標準機器視覺應用來說明。
使用 SWIR 相機測量溫度需要大量的熱能來克服反射光並在傳感器處記錄為輻射能量。因此，在帶有 SWIR 探測器的相機上執行溫度校准通常對於低於 400 °C 的溫度沒有意義。這使 SWIR 相機有資格用於高溫應用，例如對熔融金屬進行成像或檢查工藝焊縫等。
在壓力下冷卻
室溫或更低溫度下的真正熱效應，在 3 µm 及以上波長處表現出來。能夠捕捉到這些效果的成像設備，通常被認為是真正的熱像儀。不再使用「紅外線攝影機」一詞來指代這些成像儀，因為大多數被捕獲的信號，都來自輻射的紅外線熱能。
電磁光譜概述，包括適用的紅外線波長。由 MoviTHERM 提供。
科學家和攝影機製造商，對紅外線光譜的光譜帶有不同的定義。後者定義的界限，取決於熱像儀所採用的檢測器技術的特性。MCT：碲化鎘汞。由 FLIR Systems Inc. 提供。
MWIR 熱像儀非常適合各種熱成像應用。但是，它們有一個缺點。它們非常昂貴，640 × 512 像素探測器的中位價約為 70,000 美元。這些探測器成本高昂，因為它們必須低溫冷卻至約 75 K 或 -198.15 °C。探測器材料對熱輻射非常敏感，以至於感測器在室溫下會立即飽和。在現代攝影機中，低溫冷卻是由位於攝影機機身內部的閉路斯特林冷卻器完成的。過去，這類攝影機的冷卻是使用裝滿液氮的大氣瓶來實現的。
更實惠的選擇，是配備微測輻射熱計型探測器的熱像儀。根據像素解析度、探測器噪聲程度和溫度精度，這些攝影機的起價低於 1000 美元，並提供 80 × 60 像素的解析度。微測輻射熱計的工作方式與典型的光子捕獲探測器完全不同。它的操作基於微型熱阻像素。當這些像素暴露於紅外線輻射（熱）時，它們會改變它們的電阻，不需要低溫冷卻。這種類型的一些攝影機使用熱電冷卻元件，它比低溫冷卻更容易操作且成本更低。
LWIR 攝影機中的每個像素都有一個物理質量，需要透過捕捉到的物體的熱輻射對其進行加熱。這強加了一個固定的時間常數，該時間常數由每個像素在攝影機讀出電阻變化之前，正確預熱所需的時間來描述。該常數通常在 8 到 14 毫秒之間，具體取決於像素大小。不利的一面是，在對移動物體進行成像時，時間常數帶來了挑戰。
八毫秒似乎很短。但是，根據攝影機的視野和所成像物體的速度，捕獲的圖像中可能會出現明顯的運動模糊偽影。當物體的一部分在積分時間內（即時間常數）經過檢測器像素時，就會產生運動模糊。換句話說，在物體移動到相鄰像素之前，像素可能無法完全整合它試圖捕獲的熱輻射。反過來，這會導致溫度平均效應，從而導致測量誤差和其他問題。
非製冷微測輻射熱計探測器，為低溫冷卻 MWIR 攝影機提供了更實惠的替代方案。微測輻射熱計捕獲熱圖像數據的能力，是基於微型熱阻像素，當暴露於紅外線輻射（熱量）時，它們的電阻會發生變化。由 MoviTHERM 提供。
運動模糊並不是熱成像中唯一出現的模糊類型。由於熱圖像中的對比度是由溫度變化引起的，因此大多數熱圖像顯得模糊。這種模糊不是焦點或缺乏焦點的影響。它是物理學的一個函數 —— 更準確地說是熱力學。
熱能從較高能量的較熱區域，流向較低能量的較冷區域。這種行為是完全動態的，它會產生溫度轉變或熱梯度。因為熱圖像中的溫度表示為亮度變化 —— 白色代表較熱的區域，黑色代表較冷的區域 —— 灰色過渡發生在較暖和較冷的區域之間。
透電電子電路的熱圖像。這種圖像看起來清晰的唯一情況，是當發射率發生變化時，或者當較暖的區域與其周圍區域熱隔離時。由於這種由熱擴散引起的動態行為，熱成像可能更多地與信號處理有關，而不是與圖像處理有關。輸入/輸出：輸入/輸出。由 MoviTHERM 提供。
這些過渡給人一種模糊邊緣的外觀。這種效應通常不會出現在標準機器視覺應用中，後者更多地依賴於從表面或特徵反射的光的影響。這種反射圖案是恆定的，就像它在圖像中產生的對比度一樣。熱圖像看起來清晰的唯一情況，是當發射率發生變化時，或者當較暖的區域與其周圍區域熱隔離時。由於這種由熱擴散引起的動態行為，熱成像可能更多地與信號處理有關，而不是與圖像處理有關。
了解發射率
在處理紅外線或熱像儀時，發射率的特性可能是要了解的最重要的現象。因此，它通常是熱成像課程和研討會中談論最多的主題之一。簡而言之，發射率描述了固體輻射紅外線能量的能力。發射率由三個主要部分組成：反射能量、透射能量和輻射能量。所有這些組件的總和必須等於 1。
由於大多數材料不允許紅外線輻射傳輸，因此成像主要關注反射和輻射能量。在這種情況下，得出一個總和可能會使測量熱反射物體的溫度變得困難，如果不是不可能的話。例如，試圖辨別閃亮的不銹鋼罐的溫度，不被認為是熱成像的可行應用 —— 除非罐表面的發射率可以改變。如果允許，可以在水箱的某個區域塗上暗黑色塗層，以將其發射率提高到 0.9 或更高。透過熱傳導，這種高發射率塗層會承受水箱皮膚的溫度。然後，塗層將有利地向熱像儀輻射能量，從而實現準確的溫度測量。
涉及無法改變的低發射率表面的應用，可能需要透過接觸方法進行測量，例如透過連接物理熱電偶。
將熱像儀用於機器視覺時的另一個考慮因素，是熱像儀的可用空間解析度。對於商業應用，最高解析度約為 1.3 MP，更實惠的攝影機提供 640 × 480 或 640 × 512 MP。與可以提供 70 甚至 100 MP 解析度的最先進的機器視覺攝影機相比，這些功能相形見絀。紅外線攝影機還有一些工作要做。
用於熱像儀的鏡頭材料是奇特的，最典型的是鍺。標準硼矽酸鹽玻璃阻擋中波和長波紅外光，因此不是合適的光學材料。
熱像儀製造商必須將鏡頭校準到它所在的攝影機。許多製造商兼任其熱像儀的鏡頭供應商。因此，他們為每個攝影機只提供一到五個鏡頭選擇並不罕見，這使成像系統的設計進一步複雜化。
如果熱像儀需要一個外殼來保護它免受惡劣環境的影響，情況就會變得更加複雜。在這種情況下，觀察窗還必須配備紅外線透射玻璃，例如鍺或其他合適的材料。
熱膨脹
儘管存在這些挑戰和缺點，熱像儀在工業和非工業成像應用中都變得越來越突出。有幾個因素促成了這種成長。成本的降低可以說是最大的貢獻者。其次是引入標準通信協議 —— GenICAM —— 以及標準實體接口。首先是火線，現在大多數攝影機都配備了千兆乙太網。
不久前，使用者不得不在軟體開發工具包的幫助下，使用他們最好的編程技能，來實現專有的通信協議，結果卻發現產品陣容中的下一個攝影機型號不相容。攝影機製造商向更統一的通信標準邁進，這有利於攝影機銷售，並導致系統整合商和最終客戶等更廣泛採用。儘管熱像儀製造商繼續努力完全遵守這些標準，但情況肯定有所改善。
最近也出現了熱敏智慧攝影機的推出。儘管熱成像和標準機器視覺之間存在差異，但智慧攝影機將有助於進一步推動熱成像的採用。然而，這種採用僅適用於，不需要複雜圖像或信號處理的簡單應用。
認識作者
Markus Tarin 是 MoviTHERM 的總裁兼首席執行官。他在可見和不可見成像方面擁有豐富的經驗，並且是許多國防、研究、醫療和工業應用開發項目的首席架構師。
．機械外骨骼 Ekso Vest：它不會給你超人力量，但能讓你免受傷害
介紹 EVO：下一代肩部支撐
Introducing EVO: The next generation of shoulder support
ifanr
根據福特公司的數據，汽車流水線上的工人每天要抬臂 4600 多次，一年內抬臂次數可達 100 萬次。因此，當工人回到家的時候，經常會感到脖子、肩膀疼痛。
為解決過度勞累導致的傷害，汽車製造商開始給工人配置機械外骨骼。福特的技術專家 Marty Smets 對 Ars technica 網站說，在這方面，福特公司處於領先地位。
福特開始在工廠裡測試 Ekso Bionics 公司的上肢外骨骼 EksoVest。這是個輕量型的外骨骼。當工人需要抬臂作業的時候，它能夠給手臂提供支撐。由於保密協議的原因，Smets 不願透漏更多技術細節，不過，他表示說，Ekso 的目的在於支持重復性的作業，而不是輸出更強的力量。
（圖片來自 ars technica）
「這不是把超人力量給予某個人，而是提供耐力支持。昨天你要舉 20 磅的啞鈴，今天只要舉 10 磅的。在同等量的重復作業下，你的疲勞程度會降低。如果第二天重複同樣工作的話，不需要太多時間，就能完全恢復體力。」
生產線的工人表示，EksoVest 的好處在於，它完全不會影響到正常的工作，另外，它還提供了頸部支撐，減輕了工人經常抬頭導致的頸部疲勞。「我們正與 Ekso Bionics 展開合作，繼續改善這款產品，」Smets 表示，「在使用 EksoVest 方面，我們的操作人員擁有最為豐富的經驗。他們使用這款產品的時間已有 900 個小時。」
(圖片來自 sanvada)
Marty Smets 認為，EksoVest 將會在公司的生產線上獲得廣泛應用。「這次實驗是非常成功的，」他說，「在工作一天後，工人們都表示，肌肉骨骼的疲勞程度減輕了。他們說，如果可以的話，他們將繼續每日使用這款產品。」
目前，EksoVest 的售價是 6000 美元，價格並不低。不過，福特認為，透過使用它，工人的肌肉損傷會減少，而工作效率也會提高，因此，公司也會省下相當一大筆錢。另外，福特還考慮在不久的將來收購 EksoVest 的生產公司。
題圖來自 fystyt
· 智慧交通號誌如何幫助解決擁塞問題？
交通號誌是如何運作的？ How do traffic signals work
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為了適應和支持城市發展，最大的挑戰之一是管理擁堵和改善交通流量。交通擁堵不僅令人沮喪，而且影響空氣品質。如果你曾經在交通中駕駛過，其中一種場景可能對你來說很熟悉：你正坐在前面的紅燈處……
為了適應和支持城市發展，最大的挑戰之一是管理擁塞和改善交通流量。交通擁塞不僅令人沮喪，而且影響空氣品質。
如果你曾經在交通中開車，你可能會覺得以下其中一種情況很熟悉：
- 你正坐在停車欄前的紅燈前。即使沒有交通，信號也會在另一條路上保持綠色。
- 等了好久，終於開了綠燈，但所有的接收通道還是滿的。當交通開始移動時，燈又變紅了。
- 為了右轉，無論是紅燈還是綠燈，你都必須向迎面而來的車輛或過馬路的行人讓行。感覺就像你永遠被困在右轉車道上。
是什麼導致了這種低效的交通流管理？關鍵原因之一是交通號誌時間無法根據即時交通狀況進行自我調整。控制交通燈的傳統方式，是基於預先確定的信號配時計劃，該計劃目的在適應特定的交通流模式。時間計劃和時間段邊界，是根據街頭觀察和轉彎運動計數制定的。由於每個預先確定的定時計劃，都是由一天中的時間激活的，因此也稱為「一天中的時間」操作。
近年來，智慧交通信號技術得到了發展，以提高信號配時效率。這項新技術可以即時檢測和分析即時交通，從而即時生成適應交通需求的最佳信號配時方案。
智慧交通號誌系統需要做什麼？
檢測器和感測器：傳統的交通信號燈只在交叉路口前安裝檢測器，而智慧交通號誌燈需要更多的上游檢測器和感測器，來收集即時交通數據進行分析。
集中式電腦系統：需要一個集中式電腦系統來分析數據，並管理每個路口的交通號誌控制器。與傳統的「時間」操作不同，集中式系統應始終受到監控，並且必須盡快解決所有系統問題。
通信網路：需要可靠的通信網路在探測器、交通控制器和中央電腦系統之間交換數據。
相容的交通信號控制器：每個路口都需要更換或改造交通控制器，以適應智慧交通號誌系統
在多倫多，兩個智慧交通號誌系統（SCATS 和 InSync）已在北約克和士嘉堡的 20 個十字路口實施。其中一個智慧系統 SCATS（雪梨協調自適應交通系統）最初是在澳洲開發的，該地區的大多數號誌交叉口（約 11,000 個）現在都在運行 SCATS。InSync 系統由 Rhythm Engineering 開發，截至 2015 年 11 月已在美國的 2,300 個交通信號燈上運行。
即使使用智慧交通號誌技術，也需要時間來決定最合適的擁塞管理策略。例如，如果擁塞是由飽和的道路容量引起的，那麼智慧交通號誌燈可能無法解決這個問題。越來越多的城市正在將通信網路基礎設施用於道路改善項目，這意味著正在努力讓我們的道路「智慧」準備好！我們很高興看到這些技術，將如何為我們明天的智慧城市發展！
Yuqi 是一位專業從事交通號誌燈和路燈設計的土木工程師，擁有超過 10 年的經驗。Yuqi 於 2011 年加入 IBI 多倫多辦事處，負責 VivaNext 快速交通項目，並一直與 IBI 的多學科團隊合作，在安大略省提供各種市政基礎設施設計項目，如道路拓寬、AODA 改進、快速公交、自行車道和多用途小徑. Yuqi 將擔任 Hurontario LRT 專案的交通號誌設計負責人，該專案於 2019 年秋季開始。
· 歐洲電動客車市場蓄勢待發，但將如何發展？
電動汽車能否成為主流？ Can electric vehicles go mainstream?
歐洲即將大規模採用電動巴士。eBus 電池充電策略和充電硬體的最佳類型，仍然存在很多不確定性，主要與成本和營運靈活性有關。
在中國成功佈署電動巴士 (eBus) 後，如今已營運超過 300,000 輛電動巴士，電動巴士在歐洲的大規模採用已接近尾聲。歐洲城市最初專注於試點專案，現在正在進行商業推廣。儘管如此，圍繞 eBus 電池充電策略和最佳充電硬體類型仍存在很多不確定性，主要與成本和營運靈活性有關。
與柴油替代品相比，電動巴士的主要優勢，在於廢氣排放和空氣品質方面的環境效益，以及較低的總擁有成本 (TCO)。較低的 TCO 是由於與柴油相比，電力運行的每公里成本較低 —— 儘管目前電池成本仍導致整體購置價格較高。由於這些好處，各國政府正在製定加速採用的目標，例如荷蘭要求到 2025 年 100% 銷售零排放汽車 (ZEV) 公共交通巴士，然後到 2030 年實現 100% ZEV 車隊，取代所有化石燃料汽車。
在區域層面，城市、地區、製造商和交通組織贊同，加速推出清潔公車的共同目標，通過簽署歐洲清潔巴士佈署倡議正式確定。除了純電動公車外，燃料電池公車在使用綠色氫燃料時也被認為是清潔的，但本文不會討論這種解決方案。
由於電動巴士的續航里程通常比柴油巴士短，因此市政當局、交通營運商和製造商仍面臨的一個關鍵問題，是何時何地充電。本文比較了兩種主要的充電策略：僅夜間充電（車廠充電）和全天充電（機會充電）。
受電弓和插件方案有望成為充電關鍵技術
eBus 充電有兩種常用的策略：夜間充電（僅車廠充電）和夜間加日間充電（機會充電）。由於技術和實際要求，包括電池的平衡需求，純機會充電尚不適用於電動巴士。通常，用於夜間充電的充電器（通常為 30-50kW）被稱為「車廠充電器」，而增壓器（150+kW）被稱為「機會充電器」。然而，當使用機會收費策略時，也需要在倉庫收費過夜。
電動巴士的物理充電有三種主要技術選擇（插入式、受電弓和感應式），最佳選擇很大程度上取決於所採用的充電策略類型。Depot-only 策略主要是插件，因為它是最簡單的選項，需要最少的額外設備。然而，對於機會充電，受電弓（eBus 通過電線連接到電源，類似於有軌電車系統）是最常見的。感應，非接觸式電磁場為 eBus 充電，目前比其他兩種選擇更昂貴（包括採購、效率和維護成本）並且更難操作。
受電弓充電目前還沒有標準化的技術解決方案，但有兩種流行的選擇：受電弓向上和受電弓向下（見圖表 2）。一些參與者目前支持一種解決方案（例如，VOLVO 和 ABB 的受電弓下降），而另一些則採用這兩種技術。由於這兩個系統都有自己的優勢，它們可以並且將潛在地共存。
合併或拆分公共汽車和硬體招標的注意事項。
目前充電基礎設施沒有既定標準，因此公共汽車和充電點的招標，通常結合起來以確保相容性。一旦定義了標準，就可以拆分投標，這將增加系統的靈活性 —— 允許更多的競爭，從而降低定價。拆分投標的另一個優勢是充電硬體的使用壽命比公車長，因此單獨投標時成本效益會提高。已經將特許經營期延長至 12-15 年的 PTA 部分解決了這一問題。目前，PTO 選擇 eBus 品牌和收費點，這可能會造成鎖定，因為特許權持有人在合同更新時，總是處於最佳位置。同時，單一職責確保了系統的最佳運行和更明確的職責。
機會與站點收費的成本分析顯示不同的贏家取決於每日距離
為了分析充電策略的成本效益，需要考慮不同類型和距離的 eBus 路線，反映不同的需求和技術可行性。我們選擇了四種類型的路線進行分析，包括約 150 公里/天的短距離，以及中等距離的城市和中等距離的鄉村路線，兩者均為 300 公里/天，但各自的路線長度約為 12從頭到尾30公里。第四類是450公里/天左右的長途航線。
區分兩種充電策略的主要成本是電池成本和充電器成本。電價也可能因一天中的時間和購買量而異，但這取決於當地的市場狀況。由於技術進步和規模經濟的增加，電池和充電器的成本都在下降，並且預計將繼續下降。其他參數，如車輛和公共汽車司機的底盤成本，與這種充電策略的比較無關（與柴油替代品的比較不同）。
我們的成本分析表明，對於短途路線，站點收費更經濟，而對於較長路線，平衡轉向機會收費（見圖表 3）。
對於短途路線，我們估計車廠充電比機會充電便宜 5-10%，因為電池相對較小，50 千瓦的充電器就足夠了。在此分析中，巴士司機的成本（佔總 TCO 的三分之二）被排除在外。因此，完整的成本差異相對較小。對於更長的路線，機會充電可節省 10-20%，因為它可以在站點使用更小的電池和成本更低的充電器。為了給續航里程超過 300 公里的電池充電，一個簡單的 50 千瓦充電器與機會充電相結合就足夠了，而僅車廠充電則需要一個更昂貴的 150 千瓦充電器。機會充電的最佳速度（例如，150 或 450 kW）取決於每日總行駛距離和途中停車時間。
上述結論是基於對「平均」路線的分析，但當地的具體情況，如天氣、地形和充電器的使用情況，可能會改變結果。寒冷的冬天或炎熱的夏天，以及路線上的海拔升高，會顯著增加電力消耗，因此需要更大的電池並推高相關成本，從而加強機會充電的理由。
更高的充電器利用率也可以降低成本，因此如果在一條路線上安排多輛電動巴士，它會降低每輛巴士充電點的成本。相反，這使得更安靜的路線的機會充電成本更高，從而使天平有利於車廠充電。
收費策略不會只根據成本來選擇
雖然 PTO 非常注重成本，但有幾個原因會導致它們偏離最具成本效益的選擇。最重要的是，重量限制和規劃考慮等當地因素可能會限制收費選項。電池重量（以及充電樁充電）可能會受到舊橋和類似障礙物的限制，需要有機會充電以減輕重量。另一方面，城市規劃可能意味著有限的機會充電空間，將電動巴士限制為僅在車站充電，儘管成本較高。
此外，早期充電策略將取決於 eBus 供應和標準化。例如，在接下來的三年裡，像中國比亞迪這樣的先行者可能會繼續主導 eBus 市場，而目前不支持機會充電的公車。
最後，一些 PTO 更喜歡靈活地在不同路線上營運電動巴士，因此他們不太可能根據個別路線優化其收費策略。這意味著即使是短途路線，也可以使用機會收費，特別是如果所使用的充電點無論如何都要安裝在較長的路線上。
結論和影響
我們的分析顯示，在較長的路線（>150 公里/天）上，進行機會收費具有明顯的 TCO 優勢，而較短的路線可以透過僅使用站點收費來最經濟地運行。預計這一趨勢將保持不變，因為主要成本驅動因素 —— 電池成本和充電硬體 —— 也有類似的成本下降預測。但是，營運商仍然可以出於非 TCO 原因（例如受限的運營靈活性）選擇不太經濟的解決方案。
因此，我們預計這兩種解決方案的混合將佔上風。將策略轉化為充電樁和機會充電樁的市場，充電樁的數量將明顯增加，主要原因是對於機會充電策略，仍然需要一夜之間充電樁。此外，機會充電器通常在多個 eBuse 之間共享，從而導致較低的安裝率和機會充電器的購買量減少。
雖然尋求最佳充電策略與 PTO 和 PTA 最相關，但也對其他利益相關者產生影響，從 OEM 和政府到公用事業和石油公司。所有相關人員都需要問自己一些問題，以確保他們能夠為 eBus 的推出做好準備（參見圖 4）。
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