輻射源開口尺寸在紅外熱像儀校準中的影響

胡蝶 岑淑瓊

摘? ?要：通常，紅外熱像儀可以接收測量物體發出的輻射，并且僅可以吸收此一種。研究顯示，輻射溫度計的輸出信息是緊密關聯于周圍環境的背景輻射這一因素的，同時輸出信號也同目標物體的輻射能力之間有一定的聯系。文章著重分析了紅外熱像儀校準中輻射源開口的尺寸的影響情況，以給實踐工作提供有價值的指導。

關鍵詞：紅外熱像儀;輻射源;開口尺寸

在理想狀態下，紅外熱像儀只接收測量物體發出的輻射，但是在實際運作過程中，輻射溫度計的輸出信息與周圍環境的背景輻射有著密切的聯系，輸出信號與目標物體的輻射能力也有很大的關聯，考慮為輻射源尺寸帶來的影響。對于理想輻射溫度計，不存在輻射源尺寸效應，具有理想的測溫系統。當被測等溫目標大小完全覆蓋輻射溫度測溫儀器的探測器時，輻射溫度計的測溫結果不受被測目標大小的影響。

然而在日常的實驗中，多數熱像儀設備在依照使用說明更改內部測溫條件以后，在不同尺寸的輻射源以及不同的距離測溫，其亮度溫度固有誤差均有差異，則考慮輻射源尺寸效應是對校準和測量結果產生重要影響的關鍵因素。測溫應用中，被測對象尺寸與校準條件有明顯差異時，或者比較兩個不同大小的目標測量結果時，需要對測溫結果進行修正。

用直接測量法設計一組實驗，用熱像儀瞄準一個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溫情況。為避免獨立樣品的特殊性，選取兩個廠家的3個型號的紅外熱像儀作為實驗對象。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準值使用。

實驗時，將4個輻射源分為兩組，分別得到兩個同一設置溫度下熱像儀測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。為減少反射對測量結果的影響，光闌涂有一層高吸收比的黑漆，可位置重復地插入光闌支架，使光闌的中心處于輻射源的軸線上。測量中將處于室溫的光闌插入支架，盡快完成測量后取下支架，以免光闌溫度因輻射源加熱而明顯升高。

考慮測量實驗采用面輻射源，輻射源于前置光闌的相互反射會使輻射源有效輻射亮度隨光闌改變，影響測量結果。光闌與輻射源之間距離越大，相互反射的影響越小。因此，進行了光闌與輻射源間距影響實驗，確定可忽略相互反射影響的光闌與輻射源最小間距D。

將輻射源設定為300 ℃，選取直徑50 mm光闌，測溫距離L始終為390 mm，使用性能較好的TRT IV.82輻射溫度計，通過改變光闌與輻射源之間的距離，找到測量結果較穩定時相對應的距離，實驗結果如表1所示。

根據實驗，選取光闌距輻射源200 mm。在大于或等于200 mm處，測量結果一致，表明間距大于200 mm時相互反射對輻射源有效亮度的影響可以忽略。

實驗準備：將輻射源與被測熱像儀放置在恒溫實驗室4 h以上，其中BF-50C與FLUKE4180設置為50 ℃，RQR-700和FLUKE4181設置為200 ℃，開機恒溫。實驗室恒溫恒濕，滿足熱像儀校準條件，熱像儀開機預熱，一般為自校準15次。

Ti400和Ti200可自動調焦，將其固定在距面源1 200 mm的位置（測試距離為廠家提供），T630在儀器設置中將檢測距離設置為1 m，使其在距輻射源1 m的位置清晰成像。當移動到腔源時，需考慮輻射源腔深，例如，BF-50C腔深200 mm，在測試時，試驗距離選取1 200 mm時，需先在1 200 mm使熱像儀清晰對焦，再將熱像儀移動至距離輻射源靶口1 000 mm處（測試距離默認對靶底）。

實驗流程：使用有溯源值的輻射溫度計作為參考溫度計（TRT IV.82），測量黑體輻射源的溫度并修正，得到黑體輻射源測量值tBBi， j，實驗結果如表2所示。

從測量結果中可看出，在檢測距離一定時，輻射源開口大小對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，熱像儀Ti400和Ti200的測量值明顯高于使用腔源作為參考輻射源的測量值。型號T630的熱像儀有較小差異。

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

根據以上測量結果，加設光闌后，使用面輻射源和腔源的測量值已明顯接近，這時腔源的數據略高于面輻射源加光闌的結果。考慮其差異原因為，在計算測量距離時，默認算到底部，受腔源和面輻射源結構的影響，腔源恒溫區的實際距離可能小于面輻射源，熱像儀受距離因素的影響，使測量值略有差異。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Ti400和Ti200的測量數據偏低，在200 ℃時，亮度溫度誤差均不滿足其技術指標。這一現象與其出廠檢測試驗有關（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處測試出廠），故在選擇消除測量差異的同時，要考慮設備本身條件。

在說明書（生產廠家要求）沒有特別說明的情況下，使用腔源作為參考輻射源，將穩定性能較好的輻射溫度計測量的結果作為參考標準是測量熱像儀亮度溫度的最佳組合，在使用面輻射源時，可考慮輻射源前置光闌的方法，使測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熱像儀校準的影響。

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