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MIKRON M310 黑体炉在红外热像仪中的校准方法研究

摘要

红外热成像系统广泛应用于航空航天、材料检测及高温场测量等领域，其测温精度直接影响到实验结论的可靠性。本文以 MIKRON M310 黑体炉为标准辐射源，对 FLIR A655 红外热像仪进行低温段（50°C–300°C）的校准，通过理论模型与实验结果对比，验证了热像仪在该温区内的测量准确性，并为后续高温测量提供了基础参考。

1. 引言

红外热像仪作为非接触式温度测量工具，测量精度受到多个因素影响，其中系统校准至关重要。黑体炉作为理想的热辐射源，在红外系统标定中被广泛使用。MIKRON M310 黑体炉提供稳定、可控的低温红外辐射，为热像仪的校准提供可靠依据。

2. 校准设备与参数设置

实验环境控制参数如下：

• 相对湿度：50%

• 环境温度：20°C

• 相机与黑体距离：60 cm

• 采样频率：6.25 fps

• 每帧采集时间：160 ms

3. 校准方法与步骤

3.1 黑体温度设定与稳定

将 MIKRON M310 设置为一系列固定温度点，如 50°C、100°C、150°C、200°C、250°C、300°C。待温度稳定后，启动采集系统。

3.2 红外图像采集

将热像仪对准黑体辐射面，在软件中选定辐射均匀区域（如图中蓝色圆形区域），实时采集热图像。

3.3 提取平均辐射信号

使用 FLIR 软件提取目标区域的平均数字信号值（Object Signal，OSmed），即热像仪内部系统输出的灰度值，代表该区域的红外辐射强度。

3.4 理论热信号计算

基于 Planck 定律，并结合传感器响应 Rt(λ)、光学系统透过率 Rot(λ) 及滤波器透过率 F(λ)，计算理想黑体在相应温度下的辐射强度 Gtheory(T)：

$$G(T)={\int }_{{\lambda }_1}^{{\lambda }_2}\epsilon \cdot R_t(\lambda )\cdot R_{opt}(\lambda )\cdot F(\lambda )\cdot \frac{C_1}{{\lambda }^5(e^{\frac{C_2}{\lambda T}}-1)}d\lambda$$

其中：

• $\epsilon =0.995$（MIKRON M310 的近黑体特性）

• $C_1$、$C_2$：普朗克常数项

3.5 模型验证与拟合

将每一组温度对应的 OSmed 与理论热信号 G(T) 对比（见图 15），并进行误差分析：

$$\text{误差}=\frac{\mathrm{\mid }O{S}_{\text{med}}^{\text{exp}}-G_{\text{theory}}\mathrm{\mid }}{G_{\text{theory}}}$$

当误差控制在 2% 以内，说明红外热像仪输出与理论模型吻合良好，校准有效。

4. 校准结果与分析

校准结果显示，FLIR A655 在 MIKRON M310 提供的 50–300°C 范围内，其数字信号与理论热信号之间呈良好线性关系，验证了仪器响应模型的准确性。该过程为高温段校准（如使用 MIKRON M305/M390）提供了可扩展基础。

5. 结论

通过使用 MIKRON M310 黑体炉建立红外热像仪在低温段的温度-信号映射关系，不仅提高了测量精度，也为后续开展高温实验提供了理论支持和实验保障。此方法适用于所有需高精度红外测温的研究与工程应用场景。