引言 

隨著增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing, AM）在航空航天等高科技領(lǐng)域的廣泛應用，精確的溫度控制成為了確保零件質(zhì)量和生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素。在NASA馬歇爾太空飛行中心（MSFC）進行的電子束增材制造（EBAM）過程中，精確的溫度測量是至關(guān)重要的，因為這直接影響到構(gòu)建材料的物理性質(zhì)和最終產(chǎn)品的性能。為了實現(xiàn)高精度的溫度監(jiān)控，采用了LumaSense MCS640近紅外熱像儀，結(jié)合先進的鏡頭配置，通過S12 EBAM系統(tǒng)進行溫度數(shù)據(jù)的實時采集。

 設備與系統(tǒng)配置 

EBAM系統(tǒng)是一款用于金屬材料增材制造的設備，在NASA的應用中用于測試和驗證增材制造工藝。該系統(tǒng)配備了一個127毫米直徑的視窗，通過該視窗可以進行溫度測量和圖像采集。視窗由鉛玻璃和高強度真空玻璃構(gòu)成，這些玻璃材質(zhì)在特定波長下會影響輻射的傳輸，因此，選擇合適的測量工具和系統(tǒng)至關(guān)重要。

為了捕捉高精度的溫度數(shù)據(jù)，采用了LumaSense MCS640熱像儀。該熱像儀的光譜范圍為780nm至1080nm（上海明策電子），具有640×480的非冷卻焦平面陣列（FPA）傳感器，最大幀率為60Hz。它能夠檢測溫度范圍從600°C到3000°C，適應不同的工作條件和溫度需求。該相機的校準范圍包括三個不同的溫度區(qū)間，分別針對不同的鏡頭配置。

鏡頭選擇與校準 

根據(jù)實際應用需求，選擇了兩種不同焦距的鏡頭來進行溫度圖像的捕獲。 

- 鏡頭A的工作距離為500mm，適用于較大視場的圖像采集，其視場為31mm×23mm，空間分辨率為48µm，能夠有效地捕捉較大區(qū)域的溫度變化。

- 鏡頭B則是一款近焦鏡頭，工作距離為350mm，視場為5.3mm×4.0mm，空間分辨率為8.3µm，能夠提供更精細的圖像解析度，適用于更小區(qū)域的高精度測量。

為了確保測量結(jié)果的準確性，鏡頭A和鏡頭B在三個不同的溫度區(qū)間內(nèi)進行了校準。這些校準工作在不同的溫度范圍內(nèi)進行，溫度范圍為： 

- 對于鏡頭A：650°C - 900°C，850°C - 1250°C，1100°C - 1800°C 

- 對于鏡頭B：750°C - 1100°C，915°C - 1400°C，1320°C - 2300°C

特別是鏡頭B的校準工作，還考慮了視窗玻璃對輻射傳輸?shù)挠绊懀M行了有無玻璃的測試，最終確定了透過率為0.54。這一校準過程確保了在真實測試環(huán)境下，所捕捉到的溫度數(shù)據(jù)準確可靠。

熱像儀集成與數(shù)據(jù)采集 

為了進一步提高數(shù)據(jù)的準確性和采集效率，熱像儀通過千兆以太網(wǎng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，數(shù)據(jù)實時傳輸至筆記本電腦進行分析。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括一個網(wǎng)絡電纜和一個千兆以太網(wǎng)Express卡，確保了大數(shù)據(jù)量下的穩(wěn)定傳輸和高速處理。

在圖像采集過程中，系統(tǒng)的集成時間根據(jù)不同溫度范圍進行了調(diào)整： 

- 溫度范圍1（低溫）：16.25毫秒 

- 溫度范圍2（中溫）：1.7毫秒 

- 溫度范圍3（高溫）：50微秒

這些不同的集成時間設置確保了熱像儀可以在不同的工作條件下精確捕捉到所需的溫度數(shù)據(jù)。

實驗環(huán)境與視角設置 

實驗中的熱像儀安裝在穩(wěn)定的三腳架上，鏡頭被設置在靠近玻璃窗的位置，確保能夠精準地對準增材制造過程中構(gòu)建板區(qū)域。通過對圖1和圖2中的示意圖的分析，熱像儀的垂直傾斜角度大約為55°，且未進行水平偏航或翻滾調(diào)整。該設置確保了熱像儀可以準確地捕捉到構(gòu)建過程中溫度分布的變化。

在NASA馬歇爾太空飛行中心的EBAM增材制造實驗中，采用的熱像儀系統(tǒng)結(jié)合了先進的鏡頭選擇與精準的校準技術(shù)，成功實現(xiàn)了高精度的溫度測量。這一系統(tǒng)不僅能夠提供不同溫度區(qū)間的準確數(shù)據(jù)，還能夠有效補償視窗玻璃對輻射傳輸?shù)挠绊懀ＷC了測量結(jié)果的可靠性。隨著增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展，類似的溫度監(jiān)控系統(tǒng)將對改進制造工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量及優(yōu)化生產(chǎn)流程發(fā)揮重要作用。

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