發(fā)射率檢測(cè)方法

1、發(fā)射率檢測(cè)方法一、國(guó)內(nèi)外發(fā)射率檢測(cè)現(xiàn)狀表面輻射特性的研究工作可以追溯到十八世紀(jì)，早在1753年富蘭克林就提出不同的物質(zhì)具有不同的接受和發(fā)散熱量能力的概念。幾百年來(lái)人們?cè)诶碚撋?、?shí)驗(yàn)中、工程上做了大量的研究工作。隨著輻射傳熱學(xué)、紅外技術(shù)、太陽(yáng)能研究、材料科學(xué)及黑體空腔理論等的發(fā)展，近五十年以來(lái)材料發(fā)射率的測(cè)量方法有了很大的進(jìn)展。目前在國(guó)際上已建立了分別適用于不同溫度和狀態(tài)以及不同物質(zhì)的各種測(cè)試方法和裝置。（1）量熱法量熱法的基本原理是：一個(gè)熱交換系統(tǒng)包含被測(cè)樣品和周圍相關(guān)物體，根據(jù)傳熱理論推導(dǎo)出系統(tǒng)有關(guān)材料發(fā)射率的傳熱方程，通過(guò)測(cè)量樣品某些點(diǎn)的溫度值得到系統(tǒng)的熱交換狀態(tài)，即能求得發(fā)射率。量熱法又

2、分為穩(wěn)態(tài)量熱法和瞬態(tài)量熱法。Worthing的穩(wěn)態(tài)加熱法就是采用燈絲進(jìn)行加熱，測(cè)量精度達(dá)到了2%，但是樣品制作復(fù)雜，且測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)。瞬態(tài)法即采用激光或電流等瞬態(tài)加熱技術(shù)，其代表是70年代美國(guó)NIST的基于積分球反射計(jì)法的脈沖加熱瞬態(tài)量熱裝置，其測(cè)量速度快，測(cè)量上限高達(dá)4000，能精確測(cè)量多項(xiàng)參數(shù)，但是被測(cè)物必須是導(dǎo)體限制了其應(yīng)用范圍。（2）反射率法反射率法基于的原理是對(duì)于不透明的樣品，反射率+吸收率=1，將已知強(qiáng)度的輻射能量投射到透射率為0的被測(cè)面上，根據(jù)能量守恒定律和基爾霍夫定律，通過(guò)反射計(jì)求得反射能量，得到樣品的反射率后即可換算成發(fā)射率。常用的反射計(jì)有：Dunkle等人建立的熱腔反射計(jì)，該方

3、法能夠測(cè)量光譜發(fā)射率但不適用于高溫測(cè)量；意大利IMGC的積分球反射計(jì)具有很寬的測(cè)量溫度范圍；激光偏振法只能用于測(cè)量光滑表面的發(fā)射率。探測(cè)器工作原理圖探測(cè)器組裝圖（3）輻射能量法法能量法的基本原理是直接測(cè)量樣品的輻射功率，根據(jù)普朗克定律或斯蒂芬玻爾茲曼定律和發(fā)射率的定義計(jì)算出樣品表面的發(fā)射率。一般均采用能量比較法，即用同一探測(cè)器分別測(cè)量同一溫度下絕對(duì)黑體及樣品的輻射功率，兩者之比就是材料的發(fā)射率值。(1)獨(dú)立黑體法：獨(dú)立黑體法采用標(biāo)準(zhǔn)黑體爐作為參考輻射源，樣品與黑體是各自獨(dú)立的，輻射能量探測(cè)器分別對(duì)它們的輻射量進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量材料全波長(zhǎng)發(fā)射率時(shí)，探測(cè)器需要選擇使用無(wú)光譜選擇性的溫差電堆或熱釋電等器

4、件；測(cè)量材料光譜發(fā)射率時(shí)，需要選擇使用光子探測(cè)器并配備特定的單色濾光片。許進(jìn)堂等人曾采用獨(dú)立黑體方案設(shè)計(jì)了一套法向全波長(zhǎng)發(fā)射率測(cè)量裝置，精度可以達(dá)到3.7%。獨(dú)立黑體方案的優(yōu)點(diǎn)在于能夠精細(xì)地制作標(biāo)準(zhǔn)輻射源，并可精確地計(jì)算其輻射特性。其缺點(diǎn)在于等溫條件難以得到保證，特別是對(duì)不良導(dǎo)熱材料。在實(shí)際應(yīng)用中，人們還常常采用整體黑體法和轉(zhuǎn)換黑體法兩種能量法測(cè)量材料的發(fā)射率，即在試樣上鉆孔或加反射罩，使被測(cè)材料變?yōu)楹隗w或逼近黑體性能，從而進(jìn)行材料發(fā)射率的測(cè)量。兩種轉(zhuǎn)換黑體法示意圖(2)紅外傅里葉光譜法:進(jìn)入90年代以來(lái)，由于紅外傅里葉光譜儀的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，很多學(xué)者都建立了基于該裝置的材料光譜發(fā)射率測(cè)量系統(tǒng)

5、和裝置。紅外傅里葉光譜儀主要由邁克爾遜干涉儀和計(jì)算機(jī)組成，其工作原理是光源發(fā)出的光經(jīng)邁克爾遜干涉儀調(diào)制后變成干涉光，再把照射樣品后的各種頻率光信號(hào)經(jīng)干涉作用調(diào)制為干涉圖函數(shù)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行傅里葉變換，一次性得到樣品在寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光譜信息。因此，紅外傅里葉光譜儀在測(cè)量紅外發(fā)射方面是一個(gè)功能強(qiáng)大的儀器。近年來(lái)，許多國(guó)家都進(jìn)行了基于傅里葉紅外光譜儀材料光譜發(fā)射率測(cè)量的研究工作。最具有代表性的是半橢球反射鏡反射計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由Markham等人研制，曾獲1994年美國(guó)百項(xiàng)研發(fā)大獎(jiǎng)。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。系統(tǒng)可以同時(shí)測(cè)量材料的光譜發(fā)射率和溫度，溫度測(cè)量范圍為502000，典型測(cè)量精度為5；光譜測(cè)

6、量范圍為0.820m，典型測(cè)試精度為3%。試樣直徑為1040mm，試樣的有效直徑測(cè)量范圍為13mm，為保證加熱時(shí)試樣溫度的均勻性，試樣的最佳厚度為13 mm。（4）多波長(zhǎng)測(cè)量法多光譜法是可以同時(shí)測(cè)量溫度和光譜發(fā)射率的新方法，其基本原理是利用待測(cè)樣品在多光譜條件下的輻射信息，通過(guò)假定的發(fā)射率和波長(zhǎng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行理論分析計(jì)算，得到待測(cè)樣品的溫度和光譜發(fā)射率。多光譜法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量速度快，設(shè)備簡(jiǎn)單易于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，不需要制作標(biāo)準(zhǔn)樣品。很多國(guó)家都在研究多光譜法，多波長(zhǎng)測(cè)量法的原理是通過(guò)測(cè)量目標(biāo)多光譜下的輻射信息，建立發(fā)射率與波長(zhǎng)關(guān)系模型及理論計(jì)算，同時(shí)得到溫度與發(fā)射率信息值。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，并且測(cè)量

7、溫度沒(méi)有上限，但是測(cè)量精度有限，并且對(duì)不同材料的適用性差，沒(méi)有一種算法能適應(yīng)所有材料。但是這是未來(lái)的發(fā)展方向。發(fā)射率測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)二、本方案的基本原理考慮到紅外熱像儀和多光譜分析儀較貴，本方案計(jì)劃采用“雙罩法”測(cè)量。“雙罩法”的基本原理就是將待測(cè)樣品的輻射能量與處于相同溫度下黑體所輻射的能量相比，就得到待測(cè)樣品的發(fā)射率，本文中所述的發(fā)射率如無(wú)特別說(shuō)明均指半球發(fā)射率。在工程上將被測(cè)面近似為灰體，灰體的定義是在任何溫度下所有各波長(zhǎng)射線的輻射強(qiáng)度與同溫度黑體的相應(yīng)波長(zhǎng)射線的輻射強(qiáng)度之比等于常數(shù)。測(cè)量原理結(jié)構(gòu)如圖所示，雙罩即由半球吸收罩與半球反射罩組成，其中吸收罩內(nèi)表面為高吸收率材料，反射罩內(nèi)表面為

8、高反射率材料。為了便于討論半球罩的檢測(cè)工作原理，可作如下三個(gè)假設(shè)：（1）不考慮透射率（即透射率=0），反射罩的內(nèi)表面反射率和吸收罩的內(nèi)表面吸收率均為1；（2）頂部開口面積相對(duì)于半球面積可忽略，不需要考慮在開孔處的能量損失。（3）罩內(nèi)表面溫度在測(cè)量過(guò)程中保持不變，因此罩內(nèi)表面與被測(cè)表面間沒(méi)有相對(duì)傳熱。設(shè)被測(cè)物體表面的溫度為Ts，發(fā)射率為。當(dāng)半球反射罩扣在被測(cè)物體表面上時(shí)，反射罩和被測(cè)物體表面組成一個(gè)閉合腔體，由被測(cè)物體表面發(fā)射的輻射能被反射罩內(nèi)表面不斷地反射，而被測(cè)物體表面卻不斷地吸收由反射罩反射回來(lái)的輻射能。由于輻射是以光速傳播，因此上述的不斷反射和吸收過(guò)程是瞬間完成。設(shè)0為溫度TS時(shí)的黑體輻

9、射功率，當(dāng)反射罩對(duì)著被測(cè)物體表面時(shí)，所組成的閉合腔體就成為一個(gè)等效黑體。自然敏感元件從小孔中接收到的輻射功率等于黑體輻射功率。設(shè)12為被測(cè)物體表面對(duì)半球罩頂部小孔的角系數(shù)，則由小孔通過(guò)的輻射功率為Eb=120。將反射罩換成吸收罩，這時(shí)由于吸收罩表面和被測(cè)物體表面組成閉合腔體，因此被測(cè)物體表面輻射到吸收罩內(nèi)表面的能量完全被吸收。敏感元件接收到的輻射功率即為被測(cè)表面發(fā)射的固有輻射功率ES=120。固有輻射功率與黑體輻射功率的比值即為被測(cè)面的發(fā)射率：式中K敏感元件的熱轉(zhuǎn)換系數(shù)。測(cè)量傳感器結(jié)構(gòu)如上圖所示, 由吸收罩與反射罩兩部分組成。在理想情況下，被測(cè)面為灰體，半球反射罩反射率 為1, 被測(cè)表面能量經(jīng)

10、反射罩多次反射后由從小孔出射, 此時(shí)被測(cè)面有效輻射率為1，其輻射能為E = T4。同時(shí)，理想情況下半球吸收罩的吸收率為1，被測(cè)表面向吸收罩輻射的能量均被其吸收，由小孔出射的能量為被測(cè)面自身輻射能E = T4。這樣從兩罩小孔中出射的輻射能比值即為被測(cè)表面發(fā)射率。實(shí)際的反射罩反射率和吸收罩吸收率不可能為1，需要分析其誤差影響。這里引入有效發(fā)射率的概念, 可得半球罩結(jié)構(gòu)下被測(cè)表面的有效發(fā)射率eff公式式中: 為罩體吸收率; F1 和F2 分別為被圍表面與半球罩面積。根據(jù)有效發(fā)射率的意義，對(duì)于敏感元件熱電堆，半球吸收罩輸出Va 與半球反射罩輸出Vr 為:式中: e ffa與ef fr分別為吸收罩和反射

11、罩對(duì)應(yīng)被測(cè)面的有效發(fā)射率，兩者比值為電壓比。根據(jù)有效發(fā)射率式( 1)可得實(shí)際測(cè)量的傳感器輸出電壓比將比被測(cè)發(fā)射率小, 但這部分偏差可通過(guò)標(biāo)定過(guò)程補(bǔ)償。該系統(tǒng)采用4個(gè)第三方測(cè)定的樣板對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定, 補(bǔ)償由于反射罩和吸收罩特性影響導(dǎo)致的誤差。在長(zhǎng)期在線測(cè)量條件下, 吸收罩和反射罩的溫度升高, 其自身輻射能也將通過(guò)被測(cè)面反射后由小孔出射, 并且熱電堆輸出電壓隨傳感器冷端溫度升高而變化, 從而引起測(cè)量誤差, 通過(guò)分析建立誤差因素模型:式中，是吸收罩與其傳感器冷端的溫度誤差系數(shù)； ，是反射罩與其傳感器冷端的溫度誤差系數(shù); ，為將測(cè)得電壓補(bǔ)償?shù)揭粋€(gè)相對(duì)零點(diǎn)后僅含有表面輻射量信息的值用 和代替Va 和

12、Vr 解方程組( 1)、( 2)、( 3), 將求得的發(fā)射率值標(biāo)定后即可實(shí)現(xiàn)發(fā)射率的在線長(zhǎng)時(shí)測(cè)量。三、系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)測(cè)量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖所示，包括傳感器模塊、信號(hào)處理模塊和上位機(jī)測(cè)量顯示模塊。傳感器模塊包括2個(gè)半球罩及熱電堆傳感器、4 路PT100 熱電阻測(cè)量補(bǔ)償溫度和一路PT100測(cè)量被測(cè)面溫度Ts， 通過(guò)測(cè)量表面溫度得到發(fā)射率與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系；信號(hào)處理模塊為溫度測(cè)量部分提供電流驅(qū)動(dòng)，并且采集7路信號(hào)進(jìn)行A /D轉(zhuǎn)換后通MODBUS協(xié)議將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給上位機(jī)；上位機(jī)接收數(shù)據(jù)后通過(guò)補(bǔ)償模型計(jì)算出發(fā)射率值, 并實(shí)時(shí)繪制被測(cè)面發(fā)射率隨溫度的變化曲線。在應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng), 傳感器與上位機(jī)距離超過(guò)15 m,

13、考慮到紅外熱電堆傳感器的輸出為幾mV, 如果將信號(hào)通過(guò)長(zhǎng)線傳輸至電路將會(huì)對(duì)本來(lái)就很小的信號(hào)造成衰減, 因此采用將電路與2個(gè)半球罩做成一體結(jié)構(gòu), 如圖中實(shí)線框所示。該結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)量電路的測(cè)量精度與尺寸提出了很高的要求。四、系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)4.1測(cè)量電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)待測(cè)輻射量很小，光電式傳感器對(duì)工作環(huán)境要求較高, 無(wú)法適應(yīng)高溫環(huán)境。紅外熱電堆傳感器不僅能夠適應(yīng)強(qiáng)震動(dòng)和高溫環(huán)境，而且測(cè)量響應(yīng)速度為m s級(jí)，無(wú)需復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)。綜合各方面考慮，系統(tǒng)采用紅外熱電堆傳感器。測(cè)量系統(tǒng)采用傳感器與電路一體的結(jié)構(gòu)，電路板空間狹小, 要求電路具有很高的集成度， mV級(jí)的熱電堆輸出電壓不論在測(cè)量精度還是抗干擾上都加大了難度。根據(jù)

14、測(cè)量電路對(duì)CPU 的要求, 采用ADuC845 微處理器, 測(cè)量電路如圖所示,CPU 外圍電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 只需要提供電源及參考電壓, 片內(nèi)集成的可編程增益放大器PGA 和高達(dá)24 位分辨率的 型ADC完全滿足測(cè)量要求。并且片內(nèi)集成的400 A 電流源可直接驅(qū)動(dòng)PT100信號(hào), 簡(jiǎn)化了電路。芯片內(nèi)ADC上的斬波機(jī)制使其具有優(yōu)良抑制直流失調(diào)及漂移性能，非常適用于對(duì)失調(diào)、噪聲抑制和電磁兼容要求高的電路。通過(guò)寄存器可將PGA 增益編程為8 級(jí)以滿足不同的輸入范圍, 并在測(cè)量電路中添加1. 25 V 偏置電壓讓輸入信號(hào)工作在放大器的線性區(qū), 提高測(cè)量精度。對(duì)于PGA, 測(cè)量范圍越小則測(cè)量的精度越高，在該

15、應(yīng)用中傳感器輸出小于40 mV, 因此為了充分利用芯片的精度，在該電路中通過(guò)單片機(jī)程序識(shí)別輸入信號(hào)的范圍自動(dòng)選擇PGA 的增益，設(shè)定20 mV為閾值, 在輸入小于20 mV 時(shí)選擇0 20 mV, 當(dāng)輸入大于20 mV 時(shí)程序自動(dòng)切換為0 40 mV.4.2 RS- 485通信電路信號(hào)處理模塊與上位機(jī)使用RS - 485協(xié)議進(jìn)行長(zhǎng)距離通信, 由于電路所處的環(huán)境為強(qiáng)電磁干擾, 因此為了增強(qiáng)抗干擾能力提高可靠性, 采用基于iCoup ler磁耦隔離技術(shù)的隔離RS- 485收發(fā)器ADM 2483。磁耦隔離技術(shù)由于沒(méi)有光電耦合器中影響效率的光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié), 實(shí)現(xiàn)了低功耗和高集成度, 并且具有更高的數(shù)據(jù)傳

16、輸速率、時(shí)序精度和瞬態(tài)共模抑制能力。它在125 高溫環(huán)境下性能和可靠性并不下降, 在抗高溫影響方面遠(yuǎn)優(yōu)于光耦合器, 非常適用于該系統(tǒng)的高溫環(huán)境。通信電路如圖所示, 注意: VDD2與GND2必須是通過(guò)DC - DC 隔離后的電壓, 才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的真正隔離。五、標(biāo)定和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)4 塊第三方檢定的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射率樣板來(lái)標(biāo)定, 發(fā)射率分別為0. 23、0.34、0.64、0.92, 通過(guò)線性擬合的到最終發(fā)射率值。為了驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性, 采用紅外熱像儀校準(zhǔn)發(fā)射率方法進(jìn)行比對(duì), 該測(cè)試裝置經(jīng)過(guò)了計(jì)量單位檢驗(yàn), 熱像儀校準(zhǔn)方法的基本測(cè)定方法簡(jiǎn)單描述如下：其基本計(jì)算原理是通過(guò)紅外熱像儀得到被測(cè)面的溫度場(chǎng)圖像分布，通過(guò)溫度場(chǎng)圖像根據(jù)熱