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MIKRON M310 黑體爐在紅外熱像儀中的校準(zhǔn)方法研究

摘要

紅外熱成像系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于航空航天、材料檢測及高溫場測量等領(lǐng)域，其測溫精度直接影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)論的可靠性。本文以 MIKRON M310 黑體爐為標(biāo)準(zhǔn)輻射源，對 FLIR A655 紅外熱像儀進(jìn)行低溫段（50°C–300°C）的校準(zhǔn)，通過理論模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，驗(yàn)證了熱像儀在該溫區(qū)內(nèi)的測量準(zhǔn)確性，并為后續(xù)高溫測量提供了基礎(chǔ)參考。

1. 引言

紅外熱像儀作為非接觸式溫度測量工具，測量精度受到多個因素影響，其中系統(tǒng)校準(zhǔn)至關(guān)重要。黑體爐作為理想的熱輻射源，在紅外系統(tǒng)標(biāo)定中被廣泛使用。MIKRON M310 黑體爐提供穩(wěn)定、可控的低溫紅外輻射，為熱像儀的校準(zhǔn)提供可靠依據(jù)。

2. 校準(zhǔn)設(shè)備與參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)環(huán)境控制參數(shù)如下：

• 相對濕度：50%

• 環(huán)境溫度：20°C

• 相機(jī)與黑體距離：60 cm

• 采樣頻率：6.25 fps

• 每幀采集時間：160 ms

3. 校準(zhǔn)方法與步驟

3.1 黑體溫度設(shè)定與穩(wěn)定

將 MIKRON M310 設(shè)置為一系列固定溫度點(diǎn)，如 50°C、100°C、150°C、200°C、250°C、300°C。待溫度穩(wěn)定后，啟動采集系統(tǒng)。

3.2 紅外圖像采集

將熱像儀對準(zhǔn)黑體輻射面，在軟件中選定輻射均勻區(qū)域（如圖中藍(lán)色圓形區(qū)域），實(shí)時采集熱圖像。

3.3 提取平均輻射信號

使用 FLIR 軟件提取目標(biāo)區(qū)域的平均數(shù)字信號值（Object Signal，OSmed），即熱像儀內(nèi)部系統(tǒng)輸出的灰度值，代表該區(qū)域的紅外輻射強(qiáng)度。

3.4 理論熱信號計(jì)算

基于 Planck 定律，并結(jié)合傳感器響應(yīng) Rt(λ)、光學(xué)系統(tǒng)透過率 Rot(λ) 及濾波器透過率 F(λ)，計(jì)算理想黑體在相應(yīng)溫度下的輻射強(qiáng)度 Gtheory(T)：

$$G(T) = int_{lambda_1}^{lambda_2} varepsilon cdot R_t(lambda) cdot R_{opt}(lambda) cdot F(lambda) cdot frac{C_1}{lambda^5 left( e^{frac{C_2}{lambda T}} - 1 right)} dlambda$$

其中：

• $varepsilon = 0.995$（MIKRON M310 的近黑體特性）

• $C_1$、$C_2$：普朗克常數(shù)項(xiàng)

3.5 模型驗(yàn)證與擬合

將每一組溫度對應(yīng)的 OSmed 與理論熱信號 G(T) 對比（見圖 15），并進(jìn)行誤差分析：

$$text{誤差} = frac{|OS_{text{med}}^{text{exp}} - G_{text{theory}}|}{G_{text{theory}}}$$

當(dāng)誤差控制在 2% 以內(nèi)，說明紅外熱像儀輸出與理論模型吻合良好，校準(zhǔn)有效。

4. 校準(zhǔn)結(jié)果與分析

校準(zhǔn)結(jié)果顯示，F(xiàn)LIR A655 在 MIKRON M310 提供的 50–300°C 范圍內(nèi)，其數(shù)字信號與理論熱信號之間呈良好線性關(guān)系，驗(yàn)證了儀器響應(yīng)模型的準(zhǔn)確性。該過程為高溫段校準(zhǔn)（如使用 MIKRON M305/M390）提供了可擴(kuò)展基礎(chǔ)。

5. 結(jié)論

通過使用 MIKRON M310 黑體爐建立紅外熱像儀在低溫段的溫度-信號映射關(guān)系，不僅提高了測量精度，也為后續(xù)開展高溫實(shí)驗(yàn)提供了理論支持和實(shí)驗(yàn)保障。此方法適用于所有需高精度紅外測溫的研究與工程應(yīng)用場景。