紅外熱像儀在本科生創(chuàng)新實驗教學中的應用

杜 燚， 徐哲凡， 雷九洲， 林森豹

（四川大學匹茲堡學院，成都610225）

0 引 言

近年來，紅外熱像儀在國內(nèi)的碩士、博士研究生階段的研究中運用較為廣泛，但在本科實驗中運用較少。國內(nèi)大部分研究著重于紅外熱像儀的一些測量方法的改進與修正［1-2］，以及紅外熱像儀在醫(yī)學和工程學中的應用［3-6］。而國外除了這些應用以外，已經(jīng)開始將紅外熱像儀測溫引入到實驗教學中［7-9］。在如今科技、科研水平迅猛提升的背景下，傳統(tǒng)的傳熱學實驗項目有著一些局限性，如測量結(jié)果不直觀，操作繁復。如果利用紅外熱像儀設計一種簡易的“課題研究型實驗”到本科實驗教育中，可同時具備3種優(yōu)勢：①借由紅外熱像儀非接觸式、動態(tài)、二維測量、測溫速度快、高測溫分辨率等優(yōu)點［10-11］，可使測量結(jié)果更直觀，還可進行定性、定量分析；②鼓勵學生自主研究課題、設計實驗、分析數(shù)據(jù)、得出結(jié)論，可提高本科生的科研素養(yǎng)和思考能力；③接觸使用高新技術(shù)設備還可拓寬學生視野，符合目前社會快速發(fā)展對高科技人才的需求。在傳統(tǒng)傳熱學實驗教學內(nèi)容的基礎(chǔ)上，增加基于紅外熱像儀的創(chuàng)新實驗，有助于加深學生對熱輻射和熱傳導相關(guān)知識點的理解，幫助學生掌握紅外熱像儀的應用及熱像分析的方法，同時提升其工程實踐能力。

1 實驗內(nèi)容及流程

1.1 實驗原理

1.1.1 熱輻射

斯特藩-玻爾茲曼定律描述物體溫度與物體輻射出射度的關(guān)系，即黑體單位表面積發(fā)出所有波長的總功率M與黑體的溫度T的4次方成正比例關(guān)系，表述為：

其中系數(shù)σ ＝56.697 nW·m－2·K－4。由于不能吸收所有入射輻射的物體釋放的輻射能量比理想黑體要低，因此需要用出射率ε描述，ε＜1。對于非黑體來說，其輻射出射度與溫度關(guān)系可表示為［12］：

紅外熱像儀則是通過探測物體輻射能量，因為目標物體與周圍環(huán)境溫度的不同及物體本身各部分溫度的差異，生成輻射能量的密度分布圖，成為“熱像”［13］。

1.1.2 熱傳導

熱傳導實驗中有實際數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)兩種數(shù)據(jù)類型，實際數(shù)據(jù)由紅外熱成像儀拍攝后處理獲取，理論數(shù)據(jù)以后文介紹的推導公式為基礎(chǔ)通過Matlab計算獲得。因為實驗著重研究物體中非穩(wěn)態(tài)導熱初始階段，所以將實際物體看作半無限大物體來處理［14］，如圖1所示，左側(cè)從上至下分別為被加熱試樣溫度分布圖、換熱空氣層以及恒溫加熱板，右側(cè)為試樣溫度與傳導距離關(guān)系的擬合曲線。

圖1 半無限大物體熱傳導理論模型

此類問題中，存在3類邊界條件。第1類邊界條件指將熱源簡化為一維時，熱源一側(cè)的溫度恒定，在本實驗中即試樣與熱源表面無空隙緊貼以保持恒溫；第2類邊界條件指將熱源簡化為一維時，平板一側(cè)熱流密度一定，在本實驗中因加熱平板提供的熱流密度穩(wěn)定性較差所以在本實驗中不適用；第3類邊界條件指將熱源簡化為一維時，熱源一側(cè)的換熱系數(shù)恒定，換熱流體的溫度恒定，在本實驗中即試樣與熱源之間有恒溫流體，并通過流體（恒定換熱系數(shù)）進行熱交換?？梢姷?類和第2類邊界條件在本實驗條件中適用。這兩類邊界條件都滿足下列關(guān)于物體中溫度的控制方程和定解條件（τ指加熱時間，x指計算位置到熱源距離，t指在該位置及當前加熱時間時的溫度）：

同時對第1類和第3類邊界條件來說分別滿足以下兩個定解條件：

結(jié)合控制式（3）和定解條件式（4）、（5），可得第1類邊檢條件下的溫度場分布解：

結(jié)合控制方程式（3）和定解條件式（4）、（6），可得第3類邊檢條件下的溫度場分布解：

1.2 實驗儀器及材料

FILR T630sc紅外熱成像儀、裝有紅外圖像分析軟件-FLIR Research IR Max的計算機；恒溫加熱臺；40 mm×140 mm長方體6061鋁合金試樣；25 mm×80 mm矩形狀且表面光滑的銅片，白紙片，黑色橡膠帶。

1.3 實驗流程

本文所討論的研究型創(chuàng)新實驗基于傳熱學中熱傳導和熱輻射的兩個基本原理和公式，分為兩個實驗：第1個實驗是驗證熱輻射中的斯特藩-玻爾茲曼定律，第2個實驗是根據(jù)兩類熱傳導邊界條件所設計的熱傳導研究型創(chuàng)新實驗。

第1個實驗（熱輻射實驗）分為兩個步驟，先熟悉掌握紅外熱成像儀的測量原理，測量前的參數(shù)調(diào)整要求及正確使用方法，然后學生按照規(guī)定實驗步驟驗證斯特藩-玻爾茲曼定律。第2個實驗（熱傳導實驗）分為4個步驟。①實驗指導教師將選定的熱傳導章節(jié)中的兩類邊界條件作為實驗原理對同學進行講解；②學生分成小組進行該實驗小課題的研究，目的是分析研究實驗提供的樣品在恒溫加熱臺的熱傳導過程和三類邊界條件的關(guān)系，并得出一個在此特殊情況下熱傳導預測公式；③根據(jù)實驗原理范圍、實驗目的和提供的實驗器材自行設計實驗步驟；④每個小組完成實驗數(shù)據(jù)分析和總結(jié)。從熱輻射實驗到熱傳導實驗，實驗的挑戰(zhàn)性，自由層次和科研層次逐步提高，使學生能更好地適應，同時也激勵了學生的創(chuàng)新精神，提高了學生的科研素質(zhì)。

2 教學實例

2.1 熱輻射實驗

以光滑銅片、白紙片、黑色橡膠3種材料為例，由于紅外熱成像儀會接收到物體自身輻射，環(huán)境反射輻射，大氣輻射作為有效輻射［10］，需要先將熱成像儀參數(shù)——反射溫度、大氣溫度、拍攝距離調(diào)整至正確數(shù)值，將3種材料固定在恒溫加熱臺上，并在不同的溫度下拍攝熱成像圖片。使用FLIR Research IR Max分析得到物體輻射出射度，做出溫度與輻射出射度的關(guān)系圖像，見圖2（a），輻射出射度隨溫度升高而增加。做出輻射出射度與溫度的4次方關(guān)系圖并進行線性擬合，見圖2（b），其中光滑銅片實驗組相關(guān)系數(shù)為0.999 6，白紙實驗組相關(guān)系數(shù)為0.999 2，黑色橡膠實驗組相關(guān)系數(shù)為0.999 8，說明低溫下熱輻射滿足斯特藩-玻爾茲曼定律。

圖2 物體溫度及溫度的4次方與輻射出射度的關(guān)系圖

2.2 熱傳導實驗

實驗需要兩種不同材料的長方體物塊，尺寸都為6.5 cm ×6.5 cm × 14 cm（長寬高），兩種材料分別為6061鋁合金和304不銹鋼。用黑色膠布（反射率大約為0.95）貼于物塊的正面，用于防止金屬表面反射造成的拍攝誤差。把恒溫加熱臺置于桌面，將裝有三腳架的紅外熱像儀固定在距離恒溫加熱臺1 m左右的距離，調(diào)節(jié)焦距直到排除周圍物體溫度的影響。在安放完成實驗器材后，打開恒溫加熱臺將其溫度調(diào)至80°C（353 K），等待其升溫3～5 min。當恒溫加熱臺的溫度確保穩(wěn)定在80°C時，按下紅外熱像儀的快門進行拍攝（設定為每50 s一張定時拍攝，共10張）。在定時拍攝過程結(jié)束后，將所得到的10張圖片導入FLIR Research IR Max軟件，從紅外熱像儀所得圖片中的物塊上截取豎直的一條線提取溫度數(shù)據(jù)。通過Matlab繪制溫度－距離的圖像來觀察溫度場的變化規(guī)律。

圖3所示為40 mm×140 mm長方體6061鋁合金試樣在50℃（325K）的恒溫加熱臺上分別持續(xù)加熱100、200、300 s時用紅外熱像儀所拍攝得到的全局熱圖。由圖3可見，①熱量逐漸從接觸到加熱臺的底部傳導到頂部；②溫度分布為從下至上逐漸降低；③ 試樣各點溫度都隨著時間增大而增大。

在得到實際數(shù)據(jù)之后，在Matlab中做出實際溫度與傳導距離的變化曲線。再根據(jù)兩類邊界條件所得理論公式做出理論溫度與傳導距離的變化曲線，最后分別將這兩類邊界條件所得理論數(shù)據(jù)的曲線和實際數(shù)據(jù)擬合成的曲線進行對比，如圖4所示。

由圖4（a）可見，以第1類邊界條件為理論基礎(chǔ)所得曲線與實際溫度隨傳導距離變化曲線契合度低，而圖4（b）中第3類邊界條件所得曲線明顯更貼近實際情況。其原因為本實驗中試樣與熱源并不是緊密連接，即中間有空氣作為換熱介質(zhì)，此情況符合第3類邊界條件所假設的存在恒定換熱系數(shù)的換熱流體。同時，從圖4（b）中可看出隨著加熱時間的增大（從100、200到300 s），理論溫度和實際溫度差值逐漸增大，特別是在傳導距離為140 mm處，溫度差增大極為明顯。這說明理論數(shù)據(jù)隨加熱時間增大準確性會變差。此現(xiàn)象剛好符合本實驗的理論假設——瞬時非穩(wěn)態(tài)導熱。當加熱時間過長時此理論不再適用。經(jīng)過整套實驗的學習和訓練，學生將熟練掌握紅外熱像儀的使用，以及實驗設計與操作的科學步驟，使其對專業(yè)理論知識的理解更深入且能更好地應用到實際情況中。

圖3 不同加熱時長時6061鋁合金熱像儀全局熱圖

圖4 兩類邊界條件下理論數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)“時間-溫度-傳導距離”曲線對比圖

3 結(jié) 語

紅外熱像儀和傳統(tǒng)傳熱實驗結(jié)合的研究型實驗，利用紅外熱像儀非接觸式、動態(tài)、實時、全局測量等優(yōu)點，全面直觀地驗證了熱輻射中斯特藩-玻爾茲曼定律和熱傳導實驗中瞬時非穩(wěn)態(tài)導熱的3類邊界條件在驗證實際情況時的準確性。除此以外在參與創(chuàng)新實驗過程中，學生接觸并使用高新技術(shù)設備、自主設計實驗、分析數(shù)據(jù)、研究課題，可開拓學生視野和培養(yǎng)學生的科研素養(yǎng)和能力。兩個實驗教學實例，表明，該研究型創(chuàng)新實驗可實施性和教學效果較高，并且能更好地幫助本科生在科學思維，科研能力，創(chuàng)新精神等多方面提升并與國際接軌［15-16］。