發(fā)射率檢測方法

放射率檢測方法一、國內(nèi)外放射率檢測現(xiàn)狀外表輻射特性的爭論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)具有不同的承受和發(fā)散熱量力氣的概念;幾百年來人們在理論上、試驗中、工程上做了大量的爭論工作;隨著輻射近五十年以來材料放射率的測量方法有了很大的進(jìn)展;目前在國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)的各種測試方法和裝置;1量熱法物體,依據(jù)傳熱理論推導(dǎo)出系統(tǒng)有關(guān)材料放射率的傳熱方程,通過測量樣品某些點的溫度值得到系統(tǒng)的熱交換狀態(tài),即能求得放射率;量熱法又分為穩(wěn)態(tài)量熱法和瞬態(tài)量熱法;Worthing的穩(wěn)態(tài)加熱法就是承受燈絲進(jìn)展加熱,測量精度到達(dá)了2%,但是樣品制作簡潔,且測量時間長;瞬態(tài)法即承受激光或電流等瞬態(tài)加熱技術(shù),其代表是70年月美國NIST的基于積分球反射計法的脈沖加熱瞬態(tài)量熱裝置,其測量速度快,測量上限高達(dá)4000℃,能準(zhǔn)確測量多項參數(shù),但是被測物必需是導(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于不透亮的樣品,反射率+吸取率=1,將強(qiáng)度的輻射能量投射到透射率為0的被測面上,依據(jù)能量守恒定律和基爾霍夫定律,通過反射計求得反射能量,得到樣品的反射率后IMGC的積分的放射率;探測器工作原理圖探測器組裝圖3輻射能量法法能量法的根本原理是直接測量樣品的輻射功率,依據(jù)普朗克定律或斯蒂芬玻爾茲曼定律和放射率的定義計算出樣品外表的放射率;一般均承受能量比較法,即用同一探測器分別測量同一溫度下確定黑體及樣品的輻射功率,兩者之比就是材料的放射率值;1與黑體是各自獨立的,輻射能量探測器分別對它們的輻射量進(jìn)展測量;測量材料全波長放射率時,探測器需要選擇使用無光譜選擇性的溫差電堆或熱釋電等器件；測量材料光譜放射率時,需要選擇使用光子探測器并配備特定的單色濾光片;許進(jìn)堂等人曾承受獨立黑體方案設(shè)計了一套法向全波長放射率測量裝置,精度可以到達(dá)3.7%;獨立黑體方案的優(yōu)點在于能夠精細(xì)地制作標(biāo)準(zhǔn)輻射源,并可準(zhǔn)確地計算其輻射特性;其缺點在于等溫條件難以得到保證,特別是對不良導(dǎo)熱材料;在實際應(yīng)用中,人們還常常承受整體黑體法和轉(zhuǎn)換黑體法兩種能量法測量材料的放射率,即在試樣上鉆孔或加反射罩,使被測材料變?yōu)楹隗w或靠近黑體性能,從而進(jìn)展材料放射率的測量;兩種轉(zhuǎn)換黑體法示意圖290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放射率測量系統(tǒng)和裝置;紅外傅里葉光譜儀主要由邁克爾遜干預(yù)儀和計算機(jī)組成,其工作原理是光源發(fā)出的光經(jīng)邁克爾遜干預(yù)儀調(diào)制后變成干預(yù)光,再把照耀樣品后的各種頻率光信號經(jīng)干預(yù)作用調(diào)制為干預(yù)圖函數(shù),由計算機(jī)進(jìn)展傅里葉變換,一次性得到樣品在寬波長范圍內(nèi)的光譜信息;因此,紅外傅里葉光譜儀在測量紅外放射方面是一個功能強(qiáng)大的儀器;近年來,很多國家都進(jìn)展了基于傅里葉紅外光譜儀材料光譜放射率測Markham1994示意圖如以下圖;系統(tǒng)可以同時測量材料的光譜放射率和溫度溫度測量范圍為50~2023℃典型測量精度為50.8~20μ,型測試3%;10~40mm,1~3mm,為保證加熱時試樣溫度的均勻性,1~3mm;4多波長測量法,其根本原理是利用待測樣品在多光譜條件下的輻射信息,通過假定的放射率和波長的數(shù)學(xué)模型進(jìn)展理論分析計算,得到待測樣品的溫度和光譜放射率;,,不需要制作標(biāo)準(zhǔn)樣品;很多國家都在爭論多光譜法,多波長測量法的原理是通過測量目標(biāo)多光譜下的輻射信息,建立放射率與波長關(guān)系模型及理論計算,;,并且測量溫度沒有上限,但是測量精度有限,并且對不同材料的適用性差,沒有一種算法能適應(yīng)全部材料;但是這是將來的進(jìn)展方向;放射率測量方法的優(yōu)缺點二、本方案的根本原理考慮到紅外熱像儀和多光譜較貴,本方案打算承受“雙罩法”測量“雙罩法”的根本原理就是將待測樣品的輻射能量與處于一樣溫度下黑體所輻射的能量相比,就得到待測樣品的放射率,本文中所述的放射率如無特別說明均指半球放射率;在工程上將被測面近似為灰體,灰體的定義是在任何溫度下全部各波長射線的輻射強(qiáng)度與同溫度黑體的相應(yīng)波長射線的輻射強(qiáng)度之比等于常數(shù);測量原理構(gòu)造如以下圖,雙罩即由半球吸取罩與半球反射罩組成,其中吸取罩內(nèi)外表為高吸取率材料,反射罩內(nèi)外表為高反射率材料;為了便于爭論半球罩的檢測工作原理,不考慮透射率即透射率=0,1；2頂部開口面積相對于半球面積可無視,不需要考慮在開孔處的能量損失;3罩內(nèi)外表溫度在測量過程中保持不變,因此罩內(nèi)外表與被測外表間沒有相對傳熱;設(shè)被測物體外表的溫度為Ts,放射率為ε;當(dāng)半球反射罩扣在被測物體外表上時,反射罩和被測物體外表組成一個閉合腔體,,而被測物體外表卻不斷地吸取由反射罩反射回來的輻射能;由于輻射是以光速傳播,因此上述的不斷反射和吸取過程是瞬間完成;Sbω0T時的黑體輻射功率,當(dāng)反射罩對著被測物體外表時,所組成的閉合腔體就成為一個等效黑體;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)φ12為被測物體外表對半球罩頂部小孔的角系數(shù),E=φ12ω0;將反射罩換成吸取罩,這時由于吸取罩外表和被測物體外表組成閉合腔體,因此被測物體外表輻射到吸取罩內(nèi)外表的能量完全被吸取;敏感元件接收到的輻射功率即為被測外表放射的固有輻射功率ES=φ12εω0;固有輻射功率Sb式中K敏感元件的熱轉(zhuǎn)換系數(shù);測量傳感器構(gòu)造如上圖所示,由吸取罩與反射罩兩局部組成;在抱負(fù)狀況下,被測面為灰體,半球反射罩反射率ρ為1,被測外表能量經(jīng)反射罩屢次反射后由從小孔出射,此時被測面有效輻射率為1,其輻射能為E= σT4;同時,抱負(fù)狀況下半球吸取罩的吸取率α為1,被測外表對吸取罩輻射的能量均被其吸取,由小孔出射的能量為被測面自身輻射能E=εσT4;這樣從兩罩小孔中出射的輻射能比值即為被測外表放射率;實際的反射罩反射率和吸取罩吸取率不行能為1,需要分析其誤差影響;這里引入有效放射率的概念,可得半球罩構(gòu)造下被測外表的有效放射率ε 公式eff式中:為罩體吸取率F1和F2分別為被圍外表與半球罩面積;依據(jù)有效放射率的意義,對于敏感元件熱電堆,半球吸取罩輸出與半球反射罩輸出r 為::,兩者比值為電壓比;依據(jù)有效放射率式1可得實際測量的傳感器輸出電壓比將比被測放射率小,但這局部偏差可通過標(biāo)定過程補(bǔ)償;該系統(tǒng)承受4個第三方測定的樣板對測量系統(tǒng)進(jìn)展標(biāo)定,補(bǔ)償由于反射罩和吸取罩特性影響導(dǎo)致的誤差;式中,是吸取罩與其傳感器冷端的溫度誤差系數(shù)；式中,是吸取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);,為將測得電壓補(bǔ)償?shù)揭粋€相對零點后僅含有外表輻射量信息的值用和代替Va和Vr解方程組123,將求得的放射率值標(biāo)定后即可實現(xiàn)放射率的在線長時測量;三、系統(tǒng)的總體構(gòu)造測量系統(tǒng)總體構(gòu)造如以下圖,包括傳感器模塊、信號處理模塊和上位機(jī)測量顯示模塊;傳感器模塊包括2個半球罩及熱電堆傳感器、4路PT100熱電阻測量補(bǔ)償溫度和一路PT100測量被測面溫度Ts,通過測量外表溫度得到放射率與溫度的對應(yīng)關(guān)系信號處理模塊為溫度測量局部供給電流驅(qū)動,并且采集7路信號進(jìn)展A/D轉(zhuǎn)換后通MODBUS協(xié)議將數(shù)據(jù)實時傳輸給上位機(jī)上位機(jī)接收數(shù)據(jù)后通過補(bǔ)償模型計算動身射率值,并實時繪制被測面放射率隨溫度的變化曲線;在應(yīng)用現(xiàn)場,傳感器與上位機(jī)距離超過15m,考慮到紅外熱電堆傳感器的輸出為幾mV,假設(shè)將信號通過長線傳輸至電路將會對原來就很小的信號造成衰減,因此承受將電路與2個半球罩做成一體構(gòu)造,如圖中實線框所示;該構(gòu)造對測量電路的測量精度與尺寸提出了很高的要求;四、系統(tǒng)電路設(shè)計4.1測量電路設(shè)計系統(tǒng)待測輻射量很小,光電式傳感器對工作環(huán)境要求較高,無法適應(yīng)高溫環(huán)境;紅外熱電堆傳感器不僅能夠適應(yīng)強(qiáng)震驚和高溫環(huán)境,,電路板空間狹小,要求電路具有很高的集成度,mV,電路板空間狹小,要求電路具有很高的集成度,mV級的熱電堆輸出電壓不管在測量精度還是抗干擾上都加大了難度;依據(jù)測量電路對CPU的要求,承受ADuC845微處理器,測量電路如以下圖,CPU外圍電路構(gòu)造簡潔,只需要供給電源及參考電壓,片內(nèi)集成的可編程增益放大器PGA和高達(dá)24位區(qū)分率的型ADC400μA電流源可直接驅(qū)動PT100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,格外適用于對失調(diào)、噪聲抑制和電磁兼容要求高的電路;通過存放器可將PGA增益編程為8級以滿足不同的輸入范圍,并在測量電路中添加125V偏置電壓讓輸入信號工作在放大器的線性區(qū),提高測量精度;對于PGA,測量范圍越小則測量的精度越高,在該應(yīng)用中傳感器輸出小于40mV,因此為了充分利用芯片的精度,在該電路中通過單片機(jī)程序識別輸入信號的范圍自動選擇PGA的增益,設(shè)定20mV為閾值,在輸入小于20mV時選擇0~20mV,當(dāng)輸入大于20mV時程序自動切換為0~40mV.4.2RS-485信號處理模塊與上位機(jī)使用RS-485協(xié)議進(jìn)展長距離通信,由于電路所處的環(huán)境為強(qiáng)電磁干擾,因此為了增加抗干擾力氣提高牢靠性,承受基于iCoupler磁耦隔離技術(shù)的隔離RS-485收發(fā)器ADM2483磁耦隔離技術(shù)由于沒有光電耦合器中影響效率的光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),實現(xiàn)了低功耗和高集成度,并且具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、時序精度和瞬態(tài)共模抑制力氣;它在125,在抗高溫影響方面遠(yuǎn)優(yōu)于光耦合器,格外適用于該系統(tǒng)的高溫環(huán)境;通信電路如以下圖,留意:VDD2與GND2必需是通過DC-DC隔離后的電壓,才能實現(xiàn)系統(tǒng)的真正隔離;五、標(biāo)定和試驗結(jié)果在補(bǔ)償?shù)母咨蠝y量系統(tǒng)通過4塊第三方檢定的標(biāo)準(zhǔn)放射率樣板來標(biāo)定,放射率分別為0.23、0.34、0.64、0.92,通過線性擬合的到最終放射率值;為了驗證系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確性,承受紅外熱像儀校準(zhǔn)放射率方法進(jìn)展比對,該測試裝置經(jīng)過了計量單位檢驗,熱像儀校準(zhǔn)方法的根本測面的