輻射源開口尺寸在紅外熱像儀校準(zhǔn)中的影響

胡蝶 岑淑瓊

摘? ?要：通常，紅外熱像儀可以接收測(cè)量物體發(fā)出的輻射，并且僅可以吸收此一種。研究顯示，輻射溫度計(jì)的輸出信息是緊密關(guān)聯(lián)于周圍環(huán)境的背景輻射這一因素的，同時(shí)輸出信號(hào)也同目標(biāo)物體的輻射能力之間有一定的聯(lián)系。文章著重分析了紅外熱像儀校準(zhǔn)中輻射源開口的尺寸的影響情況，以給實(shí)踐工作提供有價(jià)值的指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：紅外熱像儀;輻射源;開口尺寸

在理想狀態(tài)下，紅外熱像儀只接收測(cè)量物體發(fā)出的輻射，但是在實(shí)際運(yùn)作過程中，輻射溫度計(jì)的輸出信息與周圍環(huán)境的背景輻射有著密切的聯(lián)系，輸出信號(hào)與目標(biāo)物體的輻射能力也有很大的關(guān)聯(lián)，考慮為輻射源尺寸帶來的影響。對(duì)于理想輻射溫度計(jì)，不存在輻射源尺寸效應(yīng)，具有理想的測(cè)溫系統(tǒng)。當(dāng)被測(cè)等溫目標(biāo)大小完全覆蓋輻射溫度測(cè)溫儀器的探測(cè)器時(shí)，輻射溫度計(jì)的測(cè)溫結(jié)果不受被測(cè)目標(biāo)大小的影響。

然而在日常的實(shí)驗(yàn)中，多數(shù)熱像儀設(shè)備在依照使用說明更改內(nèi)部測(cè)溫條件以后，在不同尺寸的輻射源以及不同的距離測(cè)溫，其亮度溫度固有誤差均有差異，則考慮輻射源尺寸效應(yīng)是對(duì)校準(zhǔn)和測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生重要影響的關(guān)鍵因素。測(cè)溫應(yīng)用中，被測(cè)對(duì)象尺寸與校準(zhǔn)條件有明顯差異時(shí)，或者比較兩個(gè)不同大小的目標(biāo)測(cè)量結(jié)果時(shí)，需要對(duì)測(cè)溫結(jié)果進(jìn)行修正。

用直接測(cè)量法設(shè)計(jì)一組實(shí)驗(yàn)，用熱像儀瞄準(zhǔn)一個(gè)具有可變窗口的均勻亮度輻射源（可變窗口通常選取用光闌改變輻射源開口大小的方式），在不同窗口記錄其測(cè)溫情況。為避免獨(dú)立樣品的特殊性，選取兩個(gè)廠家的3個(gè)型號(hào)的紅外熱像儀作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。輻射源選用面輻射源和腔源，面輻射源選用FLUKE4181和FLUKE4180，腔源選擇RQR-700和BF-50C，其中BF-50C直徑為Φ60 mm，其溯源方式為直接溯源，其黑體亮度溫度可直接作為標(biāo)準(zhǔn)值使用。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將4個(gè)輻射源分為兩組，分別得到兩個(gè)同一設(shè)置溫度下熱像儀測(cè)量面輻射源與腔源的誤差值。

選取直徑為50 mm的光闌（外徑應(yīng)足以遮擋面輻射源）將面輻射源的開口直徑改變，再得到兩組誤差值。為減少反射對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，光闌涂有一層高吸收比的黑漆，可位置重復(fù)地插入光闌支架，使光闌的中心處于輻射源的軸線上。測(cè)量中將處于室溫的光闌插入支架，盡快完成測(cè)量后取下支架，以免光闌溫度因輻射源加熱而明顯升高。

考慮測(cè)量實(shí)驗(yàn)采用面輻射源，輻射源于前置光闌的相互反射會(huì)使輻射源有效輻射亮度隨光闌改變，影響測(cè)量結(jié)果。光闌與輻射源之間距離越大，相互反射的影響越小。因此，進(jìn)行了光闌與輻射源間距影響實(shí)驗(yàn)，確定可忽略相互反射影響的光闌與輻射源最小間距D。

將輻射源設(shè)定為300 ℃，選取直徑50 mm光闌，測(cè)溫距離L始終為390 mm，使用性能較好的TRT IV.82輻射溫度計(jì)，通過改變光闌與輻射源之間的距離，找到測(cè)量結(jié)果較穩(wěn)定時(shí)相對(duì)應(yīng)的距離，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)，選取光闌距輻射源200 mm。在大于或等于200 mm處，測(cè)量結(jié)果一致，表明間距大于200 mm時(shí)相互反射對(duì)輻射源有效亮度的影響可以忽略。

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：將輻射源與被測(cè)熱像儀放置在恒溫實(shí)驗(yàn)室4 h以上，其中BF-50C與FLUKE4180設(shè)置為50 ℃，RQR-700和FLUKE4181設(shè)置為200 ℃，開機(jī)恒溫。實(shí)驗(yàn)室恒溫恒濕，滿足熱像儀校準(zhǔn)條件，熱像儀開機(jī)預(yù)熱，一般為自校準(zhǔn)15次。

Ti400和Ti200可自動(dòng)調(diào)焦，將其固定在距面源1 200 mm的位置（測(cè)試距離為廠家提供），T630在儀器設(shè)置中將檢測(cè)距離設(shè)置為1 m，使其在距輻射源1 m的位置清晰成像。當(dāng)移動(dòng)到腔源時(shí)，需考慮輻射源腔深，例如，BF-50C腔深200 mm，在測(cè)試時(shí)，試驗(yàn)距離選取1 200 mm時(shí)，需先在1 200 mm使熱像儀清晰對(duì)焦，再將熱像儀移動(dòng)至距離輻射源靶口1 000 mm處（測(cè)試距離默認(rèn)對(duì)靶底）。

實(shí)驗(yàn)流程：使用有溯源值的輻射溫度計(jì)作為參考溫度計(jì)（TRT IV.82），測(cè)量黑體輻射源的溫度并修正，得到黑體輻射源測(cè)量值tBBi， j，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從測(cè)量結(jié)果中可看出，在檢測(cè)距離一定時(shí)，輻射源開口大小對(duì)熱像儀的溫度有顯著的影響。其中使用面輻射源作為參考輻射源時(shí)，熱像儀Ti400和Ti200的測(cè)量值明顯高于使用腔源作為參考輻射源的測(cè)量值。型號(hào)T630的熱像儀有較小差異。

根據(jù)以上結(jié)果，在其他設(shè)定條件保持不變的情況下，在面輻射源前加設(shè)直徑為50 mm，使兩組輻射源的開口大小均為Φ50 mm。

根據(jù)以上測(cè)量結(jié)果，加設(shè)光闌后，使用面輻射源和腔源的測(cè)量值已明顯接近，這時(shí)腔源的數(shù)據(jù)略高于面輻射源加光闌的結(jié)果?？紤]其差異原因?yàn)椋谟?jì)算測(cè)量距離時(shí)，默認(rèn)算到底部，受腔源和面輻射源結(jié)構(gòu)的影響，腔源恒溫區(qū)的實(shí)際距離可能小于面輻射源，熱像儀受距離因素的影響，使測(cè)量值略有差異。但由輻射源開口大小造成的溫度差異已大幅度減小。

值得注意的是，在加光闌以后，型號(hào)Ti400和Ti200的測(cè)量數(shù)據(jù)偏低，在200 ℃時(shí)，亮度溫度誤差均不滿足其技術(shù)指標(biāo)。這一現(xiàn)象與其出廠檢測(cè)試驗(yàn)有關(guān)（與廠家溝通后得知，該品牌樣品均在使用面輻射源為參考輻射源的情況下，在固定距離1.2 m處測(cè)試出廠），故在選擇消除測(cè)量差異的同時(shí)，要考慮設(shè)備本身?xiàng)l件。

在說明書（生產(chǎn)廠家要求）沒有特別說明的情況下，使用腔源作為參考輻射源，將穩(wěn)定性能較好的輻射溫度計(jì)測(cè)量的結(jié)果作為參考標(biāo)準(zhǔn)是測(cè)量熱像儀亮度溫度的最佳組合，在使用面輻射源時(shí)，可考慮輻射源前置光闌的方法，使測(cè)溫窗口與腔源保持一致，則可顯著地減少輻射源開口尺寸對(duì)熱像儀校準(zhǔn)的影響。

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