红外热像仪在本科生创新实验教学中的应用

杜 燚， 徐哲凡， 雷九洲， 林森豹

（四川大学匹兹堡学院，成都610225）

0 引 言

近年来，红外热像仪在国内的硕士、博士研究生阶段的研究中运用较为广泛，但在本科实验中运用较少。国内大部分研究着重于红外热像仪的一些测量方法的改进与修正［1-2］，以及红外热像仪在医学和工程学中的应用［3-6］。而国外除了这些应用以外，已经开始将红外热像仪测温引入到实验教学中［7-9］。在如今科技、科研水平迅猛提升的背景下，传统的传热学实验项目有着一些局限性，如测量结果不直观，操作繁复。如果利用红外热像仪设计一种简易的“课题研究型实验”到本科实验教育中，可同时具备3种优势：①借由红外热像仪非接触式、动态、二维测量、测温速度快、高测温分辨率等优点［10-11］，可使测量结果更直观，还可进行定性、定量分析；②鼓励学生自主研究课题、设计实验、分析数据、得出结论，可提高本科生的科研素养和思考能力；③接触使用高新技术设备还可拓宽学生视野，符合目前社会快速发展对高科技人才的需求。在传统传热学实验教学内容的基础上，增加基于红外热像仪的创新实验，有助于加深学生对热辐射和热传导相关知识点的理解，帮助学生掌握红外热像仪的应用及热像分析的方法，同时提升其工程实践能力。

1 实验内容及流程

1.1 实验原理

1.1.1 热辐射

斯特藩-玻尔兹曼定律描述物体温度与物体辐射出射度的关系，即黑体单位表面积发出所有波长的总功率M与黑体的温度T的4次方成正比例关系，表述为：

其中系数σ ＝56.697 nW·m－2·K－4。由于不能吸收所有入射辐射的物体释放的辐射能量比理想黑体要低，因此需要用出射率ε描述，ε＜1。对于非黑体来说，其辐射出射度与温度关系可表示为［12］：

红外热像仪则是通过探测物体辐射能量，因为目标物体与周围环境温度的不同及物体本身各部分温度的差异，生成辐射能量的密度分布图，成为“热像”［13］。

1.1.2 热传导

热传导实验中有实际数据和理论数据两种数据类型，实际数据由红外热成像仪拍摄后处理获取，理论数据以后文介绍的推导公式为基础通过Matlab计算获得。因为实验着重研究物体中非稳态导热初始阶段，所以将实际物体看作半无限大物体来处理［14］，如图1所示，左侧从上至下分别为被加热试样温度分布图、换热空气层以及恒温加热板，右侧为试样温度与传导距离关系的拟合曲线。

图1 半无限大物体热传导理论模型

此类问题中，存在3类边界条件。第1类边界条件指将热源简化为一维时，热源一侧的温度恒定，在本实验中即试样与热源表面无空隙紧贴以保持恒温；第2类边界条件指将热源简化为一维时，平板一侧热流密度一定，在本实验中因加热平板提供的热流密度稳定性较差所以在本实验中不适用；第3类边界条件指将热源简化为一维时，热源一侧的换热系数恒定，换热流体的温度恒定，在本实验中即试样与热源之间有恒温流体，并通过流体（恒定换热系数）进行热交换。可见第1类和第2类边界条件在本实验条件中适用。这两类边界条件都满足下列关于物体中温度的控制方程和定解条件（τ指加热时间，x指计算位置到热源距离，t指在该位置及当前加热时间时的温度）：

同时对第1类和第3类边界条件来说分别满足以下两个定解条件：

结合控制式（3）和定解条件式（4）、（5），可得第1类边检条件下的温度场分布解：

结合控制方程式（3）和定解条件式（4）、（6），可得第3类边检条件下的温度场分布解：

1.2 实验仪器及材料

FILR T630sc红外热成像仪、装有红外图像分析软件-FLIR Research IR Max的计算机；恒温加热台；40 mm×140 mm长方体6061铝合金试样；25 mm×80 mm矩形状且表面光滑的铜片，白纸片，黑色橡胶带。

1.3 实验流程

本文所讨论的研究型创新实验基于传热学中热传导和热辐射的两个基本原理和公式，分为两个实验：第1个实验是验证热辐射中的斯特藩-玻尔兹曼定律，第2个实验是根据两类热传导边界条件所设计的热传导研究型创新实验。

第1个实验（热辐射实验）分为两个步骤，先熟悉掌握红外热成像仪的测量原理，测量前的参数调整要求及正确使用方法，然后学生按照规定实验步骤验证斯特藩-玻尔兹曼定律。第2个实验（热传导实验）分为4个步骤。①实验指导教师将选定的热传导章节中的两类边界条件作为实验原理对同学进行讲解；②学生分成小组进行该实验小课题的研究，目的是分析研究实验提供的样品在恒温加热台的热传导过程和三类边界条件的关系，并得出一个在此特殊情况下热传导预测公式；③根据实验原理范围、实验目的和提供的实验器材自行设计实验步骤；④每个小组完成实验数据分析和总结。从热辐射实验到热传导实验，实验的挑战性，自由层次和科研层次逐步提高，使学生能更好地适应，同时也激励了学生的创新精神，提高了学生的科研素质。

2 教学实例

2.1 热辐射实验

以光滑铜片、白纸片、黑色橡胶3种材料为例，由于红外热成像仪会接收到物体自身辐射，环境反射辐射，大气辐射作为有效辐射［10］，需要先将热成像仪参数——反射温度、大气温度、拍摄距离调整至正确数值，将3种材料固定在恒温加热台上，并在不同的温度下拍摄热成像图片。使用FLIR Research IR Max分析得到物体辐射出射度，做出温度与辐射出射度的关系图像，见图2（a），辐射出射度随温度升高而增加。做出辐射出射度与温度的4次方关系图并进行线性拟合，见图2（b），其中光滑铜片实验组相关系数为0.999 6，白纸实验组相关系数为0.999 2，黑色橡胶实验组相关系数为0.999 8，说明低温下热辐射满足斯特藩-玻尔兹曼定律。

图2 物体温度及温度的4次方与辐射出射度的关系图

2.2 热传导实验

实验需要两种不同材料的长方体物块，尺寸都为6.5 cm ×6.5 cm × 14 cm（长宽高），两种材料分别为6061铝合金和304不锈钢。用黑色胶布（反射率大约为0.95）贴于物块的正面，用于防止金属表面反射造成的拍摄误差。把恒温加热台置于桌面，将装有三脚架的红外热像仪固定在距离恒温加热台1 m左右的距离，调节焦距直到排除周围物体温度的影响。在安放完成实验器材后，打开恒温加热台将其温度调至80°C（353 K），等待其升温3～5 min。当恒温加热台的温度确保稳定在80°C时，按下红外热像仪的快门进行拍摄（设定为每50 s一张定时拍摄，共10张）。在定时拍摄过程结束后，将所得到的10张图片导入FLIR Research IR Max软件，从红外热像仪所得图片中的物块上截取竖直的一条线提取温度数据。通过Matlab绘制温度－距离的图像来观察温度场的变化规律。

图3所示为40 mm×140 mm长方体6061铝合金试样在50℃（325K）的恒温加热台上分别持续加热100、200、300 s时用红外热像仪所拍摄得到的全局热图。由图3可见，①热量逐渐从接触到加热台的底部传导到顶部；②温度分布为从下至上逐渐降低；③ 试样各点温度都随着时间增大而增大。

在得到实际数据之后，在Matlab中做出实际温度与传导距离的变化曲线。再根据两类边界条件所得理论公式做出理论温度与传导距离的变化曲线，最后分别将这两类边界条件所得理论数据的曲线和实际数据拟合成的曲线进行对比，如图4所示。

由图4（a）可见，以第1类边界条件为理论基础所得曲线与实际温度随传导距离变化曲线契合度低，而图4（b）中第3类边界条件所得曲线明显更贴近实际情况。其原因为本实验中试样与热源并不是紧密连接，即中间有空气作为换热介质，此情况符合第3类边界条件所假设的存在恒定换热系数的换热流体。同时，从图4（b）中可看出随着加热时间的增大（从100、200到300 s），理论温度和实际温度差值逐渐增大，特别是在传导距离为140 mm处，温度差增大极为明显。这说明理论数据随加热时间增大准确性会变差。此现象刚好符合本实验的理论假设——瞬时非稳态导热。当加热时间过长时此理论不再适用。经过整套实验的学习和训练，学生将熟练掌握红外热像仪的使用，以及实验设计与操作的科学步骤，使其对专业理论知识的理解更深入且能更好地应用到实际情况中。

图3 不同加热时长时6061铝合金热像仪全局热图

图4 两类边界条件下理论数据与实际数据“时间-温度-传导距离”曲线对比图

3 结 语

红外热像仪和传统传热实验结合的研究型实验，利用红外热像仪非接触式、动态、实时、全局测量等优点，全面直观地验证了热辐射中斯特藩-玻尔兹曼定律和热传导实验中瞬时非稳态导热的3类边界条件在验证实际情况时的准确性。除此以外在参与创新实验过程中，学生接触并使用高新技术设备、自主设计实验、分析数据、研究课题，可开拓学生视野和培养学生的科研素养和能力。两个实验教学实例，表明，该研究型创新实验可实施性和教学效果较高，并且能更好地帮助本科生在科学思维，科研能力，创新精神等多方面提升并与国际接轨［15-16］。