案例︱FLIR红外热像仪，助力高校提升学生工程实践能力

　　随着教学理念的不断提升，各大高校越来越注重对于学生理论知识实践性应用的培养，特别是在工程应用方面，对于各种工程器材的熟悉和应用非常重要。为此，美国FLIR公司与高校实验室合作，使得学生能够通过FLIR红外热像仪进行光电实验，助力高校提升了学生的工程实践能力。

　　一直以来，受限于实验器材的高昂成本，物理学院和光电学院对于光电技术研发和应用领域后备人才的培养有所力不从心，特别是对于红外热像仪的应用，更是缺乏实操经验，本科的教学计划中只有实践理论的学习，却没有相关内容的教学实验和实践环节，所以亟需完善红外热像领域人才培养体系中的实验教学部分。

   
　　为了改变以上现状，北京理工大学光电学院光电创新教育实验基地针对光电信息工程专业本科四年级毕业实习课程进行了改革提升，在原有非成像光电测温系统的校内实习内容基础上，增加“光电成像测温系统”的实践教学内容，建成以“非接触式光电测量”为核心内容的实践教学内容体系，推出了“理论知识+专业实践”的教学体系，弥补了学生“光学不练”的教学缺憾，，有力的提高了本科教学体系对于工程实践能力的培养水平。

　　最新提出的实践教学内容体系主要分为三个环节，分别是：

　　1、红外热像仪的概述和FLIR C2 Education kits操作方法；

　　2、研究测量距离和被测物体辐射率对测温结果影响；

　　3、应用黑体模拟器的红外热像仪传递函数实验与研究。

　  一、入门学习：如何使用红外热像仪

　　首先，学生使用红外热像仪拍摄单片机电路板上电时的红外图像，实验场景如图1所示，然后将拍摄的图像导入到FLIR红外图像分析软件FLIR Tools+中。

   
　　图1. 使用红外热像仪拍摄单片机系统电路板

   
　　图2. 单片机系统电路板工作时的红外图像

　　如图2所示可以清晰看到电路板最热区域Ar1为电路板的散热片，将该区域最热点温度记录下来。

　　二、初步应用：验证测量距离和辐射率对测温结果的影响

　　1、如何正确的调整测量距离测量温度？

　　首先将平行线红外目标板接上电源，选取一块便于观察的区域，使用FLIR热像仪在距平行线目标板大约30cm、50cm、100cm的地方分别采集红外图像。

   
　　图3. 表面平行分布四条电热丝的平行线红外目标板

   
　　图4. 使用红外热像仪拍摄目标板

   
　　图5. 平行线红外目标板的红外图像

　　然后将不同距离下拍摄的红外图像导入到FLIR Tools+ 软件中（如图5），测量同一区域Ar1内最高温度点的温度。并且将温度和拍摄距离一一对应填入下面表1。通过热电偶接触式测温测得Ar1区域内最热点温度在38℃左右，通过对比可知红外热像仪在距离30cm时，测量的温度最接近真实温度。

　　 　　
　　表1. 不同距离下的温度值

　　在对比过程中，学生们可以清晰的看到红外热像仪中间有一个圆形测温点，只有当被测目标覆盖测温点大小（大约7 个像素）时，测量温度才是准确的。当被测目标不能覆盖测温圆环时需要拉近测量距离或者更换像素更高的红外热像仪，如果更远距离就需要借助长焦镜头来提高测量距离。

　　如图6所示圆环所覆盖区域包含了被测对象和背景，那么31.8℃的测量温度是不准确的，正确的做法是图(b)所示。

   
　　图6. 借助红外热像仪中心圈来判断距离远近的图示（其中(a)为错误示范，(b)为正确示范）

　　2、如何通过FLIR红外热像仪测试辐射率对测温结果的影响

　　如图7向贴有黑色电工胶带和铝箔胶带金属杯中倒入适量的热水，保证水位超过了胶带最上沿。将红外热像仪的辐射率调为0.95，记录此时三种材料的测量温度。以温度最高的材料为基准，改变辐射率，使另外两种材料的测量温度等于基准材料，记录此时另外两种材料的辐射率。

   
　　图7. 使用FLIR C2 拍摄外表面贴有电工胶带和铝箔纸的热水杯

　　下图8是所示是电工胶带、铝箔纸、金属水杯在同一画面下的红外图像。

   
　　图8. 贴有黑色电工胶带和铝箔胶带金属热水杯的红外图像

　　调整辐射率可以得到不同温度(见表2)：

　   　　
　　表2. 不同辐射率下各材料的温度值表格

　　通过对比分析结果，学生们可以清楚的了解到辐射率对于测温结果的影响：被测物体辐射率影响测温准确度，非金属辐射率大于金属辐射率，高辐射率的非金属更接近真实温度。

　　三、深入应用：对传递函数进行研究

   
　　图9. 使用FLIR C2 拍摄黑体模拟器内部的刀口红外图像图

   
　　图 10. 黑体模拟器刀口俯视图

　　如图9接通黑体模拟器电源，盖上其上方的圆孔。将热电偶插入到黑体模拟器内部测温，当热电偶测温表上显示的温度稳定时，也就是黑体辐射处于稳定状态时，将FLIR C2红外热像仪镜头贴近黑体模拟器开孔，采集此时的图像。图10是黑体模拟器刀口俯视图，刀口结构是在铝板的右侧贴有黑纸。如图11是刀口的红外图像。

   
　　图11. FLIR C2 拍摄的刀口红外图像

　　在FLIR Tools+软件中改变辐射率数值，使得所测材料显示的温度与数字温度计上相同，记录此时的辐射率，分别测得铝和黑纸的辐射率。

　　然后在FLIR Tools+软件中导出带有全辐射温度信息的CSV文件，即可将每个像素点的温度值导出。将图像的温度原始数据导入至MATLAB中，编程绘制出MTF曲线。如下图12、13、14所示分别是刀口边缘扩散函数、线扩散函数和调制函数MTF曲线。

     
　　   图12. 灰度曲线    

     
　　   图13. 点扩散函数  

     
　　   图14. MTF曲线

　　FLIR红外热像仪走进学校实验室，从根本上解决了学校目前“光学不练”教学尴尬问题，通过“理论知识+专业实践”的教学体系，三个环节由简入繁，层层递进，不仅有效地提高了学生动手实操的能力，也为培养光电技术人才做出了应有的贡献。