隨著教學(xué)理念的不斷提升，各大高校越來(lái)越注重對(duì)于學(xué)生理論知識(shí)實(shí)踐性應(yīng)用的培養(yǎng)，特別是在工程應(yīng)用方面，對(duì)于各種工程器材的熟悉和應(yīng)用非常重要。為此，美國(guó)FLIR公司與高校實(shí)驗(yàn)室合作，使得學(xué)生能夠通過(guò)FLIR紅外熱像儀進(jìn)行光電實(shí)驗(yàn)，助力高校提升了學(xué)生的工程實(shí)踐能力。
一直以來(lái)，受限于實(shí)驗(yàn)器材的高昂成本，物理學(xué)院和光電學(xué)院對(duì)于光電技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域后備人才的培養(yǎng)有所力不從心，特別是對(duì)于紅外熱像儀的應(yīng)用，更是缺乏實(shí)操經(jīng)驗(yàn)，本科的教學(xué)計(jì)劃中只有實(shí)踐理論的學(xué)習(xí)，卻沒有相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)，所以亟需完善紅外熱像領(lǐng)域人才培養(yǎng)體系中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分。
為了改變以上現(xiàn)狀，北京理工大學(xué)光電學(xué)院光電創(chuàng)新教育實(shí)驗(yàn)基地針對(duì)光電信息工程專業(yè)本科四年級(jí)畢業(yè)實(shí)習(xí)課程進(jìn)行了改革提升，在原有非成像光電測(cè)溫系統(tǒng)的校內(nèi)實(shí)習(xí)內(nèi)容基礎(chǔ)上，增加“光電成像測(cè)溫系統(tǒng)”的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，建成以“非接觸式光電測(cè)量”為核心內(nèi)容的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容體系，推出了“理論知識(shí)+專業(yè)實(shí)踐”的教學(xué)體系，彌補(bǔ)了學(xué)生“光學(xué)不練”的教學(xué)缺憾，，有力的提高了本科教學(xué)體系對(duì)于工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)水平。
最新提出的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容體系主要分為三個(gè)環(huán)節(jié)，分別是：
1.紅外熱像儀的概述和FLIR C2 Education kits操作方法；
2.研究測(cè)量距離和被測(cè)物體輻射率對(duì)測(cè)溫結(jié)果影響；
3.應(yīng)用黑體模擬器的紅外熱像儀傳遞函數(shù)實(shí)驗(yàn)與研究。
一、入門學(xué)習(xí)：如何使用紅外熱像儀
首先，學(xué)生使用紅外熱像儀拍攝單片機(jī)電路板上電時(shí)的紅外圖像，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖1所示，然后將拍攝的圖像導(dǎo)入到FLIR紅外圖像分析軟件FLIR Tools+中。
圖1. 使用紅外熱像儀拍攝單片機(jī)系統(tǒng)電路板
圖2. 單片機(jī)系統(tǒng)電路板工作時(shí)的紅外圖像
如圖2所示可以清晰看到電路板最熱區(qū)域Ar1為電路板的散熱片，將該區(qū)域最熱點(diǎn)溫度記錄下來(lái)。
二、初步應(yīng)用：驗(yàn)證測(cè)量距離和輻射率對(duì)測(cè)溫結(jié)果的影響
1、如何正確的調(diào)整測(cè)量距離測(cè)量溫度？
首先將平行線紅外目標(biāo)板接上電源，選取一塊便于觀察的區(qū)域，使用FLIR熱像儀在距平行線目標(biāo)板大約30cm、50cm、100cm的地方分別采集紅外圖像。
圖3. 表面平行分布四條電熱絲的平行線紅外目標(biāo)板
圖4. 使用紅外熱像儀拍攝目標(biāo)板
圖5. 平行線紅外目標(biāo)板的紅外圖像
然后將不同距離下拍攝的紅外圖像導(dǎo)入到FLIR Tools+ 軟件中（如圖5），測(cè)量同一區(qū)域Ar1內(nèi)最高溫度點(diǎn)的溫度。并且將溫度和拍攝距離一一對(duì)應(yīng)填入下面表1。通過(guò)熱電偶接觸式測(cè)溫測(cè)得Ar1區(qū)域內(nèi)最熱點(diǎn)溫度在38℃左右，通過(guò)對(duì)比可知紅外熱像儀在距離30cm時(shí)，測(cè)量的溫度最接近真實(shí)溫度。
在對(duì)比過(guò)程中，學(xué)生們可以清晰的看到紅外熱像儀中間有一個(gè)圓形測(cè)溫點(diǎn)，只有當(dāng)被測(cè)目標(biāo)覆蓋測(cè)溫點(diǎn)大小（大約7 個(gè)像素）時(shí)，測(cè)量溫度才是準(zhǔn)確的。當(dāng)被測(cè)目標(biāo)不能覆蓋測(cè)溫圓環(huán)時(shí)需要拉近測(cè)量距離或者更換像素更高的紅外熱像儀，如果更遠(yuǎn)距離就需要借助長(zhǎng)焦鏡頭來(lái)提高測(cè)量距離。
如圖6所示圓環(huán)所覆蓋區(qū)域包含了被測(cè)對(duì)象和背景，那么31.8℃的測(cè)量溫度是不準(zhǔn)確的，正確的做法是圖(b)所示。
圖6. 借助紅外熱像儀中心圈來(lái)判斷距離遠(yuǎn)近的圖示
（其中(a)為錯(cuò)誤示范，(b)為正確示范）
2、如何通過(guò)FLIR紅外熱像儀測(cè)試輻射率對(duì)測(cè)溫結(jié)果的影響
如圖7向貼有黑色電工膠帶和鋁箔膠帶金屬杯中倒入適量的熱水，保證水位超過(guò)了膠帶最上沿。將紅外熱像儀的輻射率調(diào)為0.95，記錄此時(shí)三種材料的測(cè)量溫度。以溫度最高的材料為基準(zhǔn)，改變輻射率，使另外兩種材料的測(cè)量溫度等于基準(zhǔn)材料，記錄此時(shí)另外兩種材料的輻射率。
圖7. 使用FLIR C2 拍攝外表面貼有電工膠帶和鋁箔紙的熱水杯
下圖8是所示是電工膠帶、鋁箔紙、金屬水杯在同一畫面下的紅外圖像。
圖8. 貼有黑色電工膠帶和鋁箔膠帶金屬熱水杯的紅外圖像調(diào)整輻射率可以得到不同溫度(見表2)：
通過(guò)對(duì)比分析結(jié)果，學(xué)生們可以清楚的了解到輻射率對(duì)于測(cè)溫結(jié)果的影響：被測(cè)物體輻射率影響測(cè)溫準(zhǔn)確度，非金屬輻射率大于金屬輻射率，高輻射率的非金屬更接近真實(shí)溫度。
三、深入應(yīng)用：對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行研究
圖9. 使用FLIR C2 拍攝黑體模擬器內(nèi)部的刀口紅外圖像圖
圖 10. 黑體模擬器刀口俯視圖
如圖9接通黑體模擬器電源，蓋上其上方的圓孔。將熱電偶插入到黑體模擬器內(nèi)部測(cè)溫，當(dāng)熱電偶測(cè)溫表上顯示的溫度穩(wěn)定時(shí)，也就是黑體輻射處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，將FLIR C2紅外熱像儀鏡頭貼近黑體模擬器開孔，采集此時(shí)的圖像。圖10是黑體模擬器刀口俯視圖，刀口結(jié)構(gòu)是在鋁板的右側(cè)貼有黑紙。如圖11是刀口的紅外圖像。
圖11. FLIR C2 拍攝的刀口紅外圖像
然后在FLIR Tools+軟件中導(dǎo)出帶有全輻射溫度信息的CSV文件，即可將每個(gè)像素點(diǎn)的溫度值導(dǎo)出。將圖像的溫度原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入至MATLAB中，編程繪制出MTF曲線。如下圖12、13、14所示分別是刀口邊緣擴(kuò)散函數(shù)、線擴(kuò)散函數(shù)和調(diào)制函數(shù)MTF曲線。
圖12. 灰度曲線
圖13. 點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)
圖14. MTF曲線
表1. 不同距離下的溫度值
表2. 不同輻射率下各材料的溫度值表格
在FLIR Tools+軟件中改變輻射率數(shù)值，使得所測(cè)材料顯示的溫度與數(shù)字溫度計(jì)上相同，記錄此時(shí)的輻射率，分別測(cè)得鋁和黑紙的輻射率。
FLIR紅外熱像儀走進(jìn)學(xué)校實(shí)驗(yàn)室，從根本上解決了學(xué)校目前“光學(xué)不練”教學(xué)尷尬問(wèn)題，通過(guò)“理論知識(shí)+專業(yè)實(shí)踐”的教學(xué)體系，三個(gè)環(huán)節(jié)由簡(jiǎn)入繁，層層遞進(jìn)，不僅有效地提高了學(xué)生動(dòng)手實(shí)操的能力，也為培養(yǎng)光電技術(shù)人才做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
