發(fā)射率檢測方法

1、發(fā)射率檢測方法一、國內(nèi)外發(fā)射率檢測現(xiàn)狀外表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。幾百年來人們在理論上、實驗中、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)、太陽能研究、材料科學(xué)及黑體空腔理論等的開展， 近五十年以來材料發(fā)射率的測量方法有了很大的進(jìn)展。目前在國際上U射節(jié)訂廠才向仗那么電:|轉(zhuǎn)!1-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。V幟卻求反卅卜i菠光偏撮法獨芷黑幣.取!黑體，去能嚴(yán)鱉體愿協(xié)法法3 沁諧法(1) 量熱法量熱法的根本原理是：一個熱交換系統(tǒng)包含被測樣品和周圍相關(guān) 物體

2、，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)，即能求得發(fā)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)加熱法就是采 用燈絲進(jìn)行加熱，測量精度到達(dá)了 2%但是樣品制作復(fù)雜，且測量時 間長。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)4000C，能精確測量多項參數(shù)，但是被測物必須是 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于不透明的樣品，反射率+吸收率=1,將強(qiáng)度的輻射能量投射到透射率為0的被測面上，根據(jù)能量守恒

3、 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 后即可換算成發(fā)射率。常用的反射計有：Dun kle等人建立的熱腔反射 計，該方法能夠測量光譜發(fā)射率但不適用于高溫測量；意大利IMGC的積分球反射計具有很寬的測量溫度范圍； 激光偏振法只能用于測量 光滑外表的發(fā)射率。探測器工作原理圖1WlclPT|M41曲11在1MAIM4PlE31后1祕Lei1HU機(jī)NfU l0MO1?2H.3HI*TWl17Alt廠諸17*41?un1141Itrtt131Li=MB1電J k*ru1PtEK131If)1 SlflA丁l氛ER17 M*丁IPEEK6狗Irt1珂*E7砒14t m1PEEK31

4、PftlC1枷1側(cè)1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,根據(jù)普朗克定律或斯蒂芬玻爾茲曼定律和發(fā)射率的定義計算出樣品外表的發(fā)射率。般均采用能量比擬法，即用同一探測器分別測量同一溫度下絕對黑體 及樣品的輻射功率，兩者之比就是材料的發(fā)射率值。(1)獨立黑體法：獨立黑體法采用標(biāo)準(zhǔn)黑體爐作為參考輻射源， 樣品與黑體是各自獨立的，輻射能量探測器分別對它們的輻射量進(jìn)行 測量。測量材料全波長發(fā)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；測量材料光譜發(fā)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)堂等人曾采用獨立黑體方 案設(shè)計了一套法向全

5、波長發(fā)射率測量裝置，精度可以到達(dá) %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，并可精確地計算其輻 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，人們還常常采用整體黑體法和轉(zhuǎn)換黑體法兩種能量法 測量材料的發(fā)射率，即在試樣上鉆孔或加反射罩，使被測材料變?yōu)楹?體或逼近黑體性能，從而進(jìn)行材料發(fā)射率的測量。扇形盤圓筒反射銀法兩種轉(zhuǎn)換黑體法示意圖 紅外傅里葉光譜法：進(jìn)入90年代以來，由于紅外傅里葉光譜儀的 開展和廣泛應(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 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

6、預(yù)儀調(diào)制后變成干預(yù) 光，再把照射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)行傅里葉變換，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發(fā)射方面是一個功能強(qiáng) 大的儀器。近年來，許多國家都進(jìn)行了基于傅里葉紅外光譜儀材料光 譜發(fā)射率測量的研究工作。最具有代表性的是半橢球反射鏡反射計系 統(tǒng)，該系統(tǒng)由Markham等人研制，曾獲1994年美國百項研發(fā)大獎。 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖如下圖。拋血境對試樣正面的測量半椎球鏡b二樣片業(yè)機(jī)對試樣背而的測水冷軋光板/汲反射F1-IR干預(yù)儀選擇器-InGaAs探測器m)系統(tǒng)可以同時測量材料的光譜發(fā)射率和溫度，溫度測量范圍為5

7、02000C，典型測量精度為 5%;光譜測量范圍為20卩m典型測試精度為3%試樣直徑為 1040mm試樣的有效直徑測量范圍為13mm為保證加熱時試樣溫度的均勻性， 試樣的最正確厚度為13 mm(4) 多波長測量法多光譜法是可以同時測量溫度和光譜發(fā)射率的新方法，其根本原理是利用待測樣品在多光譜條件下的輻射信息，通過假定的發(fā)射率和波長的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行理論分析計算，得到待測樣品的溫度和光譜發(fā)射率。多光譜法的優(yōu)點是測量速度快，設(shè)備簡單易于現(xiàn)場測量，不 需要制作標(biāo)準(zhǔn)樣品。很多國家都在研究多光譜法，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， 建立發(fā)射率與波長關(guān)系模型 及理論計算，同時得到溫度與發(fā)

8、射率信息值。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場測 量，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)所有材料。但是這是未來的開展方向發(fā)射率測量方法的優(yōu)缺點V法優(yōu)點缺點M法誠實簡易.薦雖的是半球全發(fā)叭J W從崗i J測乩1他恂熱物性摩數(shù)械測燉象股只能是詐休材 樣皿制作麻魅，櫥認(rèn)旳問狀1 適舍在線縄駅特曲制作簡儀 論蒂比牧簡甜試鬧 期較眾，能測鼠力向發(fā)肘略測食型廈八能謝St /門旬眩射半.謝業(yè)點粧射 爭材料不難確.不儺期透明材料. 測Q毘甘料外表耕粒度彫響大射射能h；一測皿陀論發(fā)M丸善、址篇比膠向紙.測駐傭度Ah詡度快F不養(yǎng)求覧褂準(zhǔn)確般輛射能町適應(yīng)任線欄等隘裊件以畫全保応

9、尤K工時 不良的導(dǎo)熱材料.第數(shù)鑒體引入溟K .需標(biāo)程澤#1*6標(biāo)建利需S標(biāo)準(zhǔn)樣板.非常適用十規(guī)場在線 測【2 測溫上齦特別臥稱屋理輪研究不密深入.對材科的二、本方案的根本原理考慮到紅外熱像儀和多光譜分析儀較貴， 本方案方案采用“雙罩 法測量?！半p罩法的根本原理就是將待測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， 就得到待測樣品的發(fā)射率，本文 中所述的發(fā)射率如無特別說明均指半球發(fā)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所有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)。測量原理結(jié)構(gòu)如下圖，雙罩即由半球吸收罩與半球反射罩組成， 其 中吸收罩

10、內(nèi)外表為高吸收率材料，反射罩內(nèi)外表為高反射率材料。為 了便于討論半球罩的檢測工作原理，可作如下三個假設(shè)：1不考慮透射率即透射率=0,反射罩的內(nèi)外表反射率和吸收罩的內(nèi)外表 吸收率均為1； 2頂部開口面積相對于半球面積可忽略，不需要 考慮在開孔處的能量損失。3罩內(nèi)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,發(fā)射率為。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，由被測物體外表發(fā)射的輻射能 被反射罩內(nèi)外表不斷地反射，而被測物體外表卻不斷地吸收由反射罩 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

11、收過程是瞬間完成。設(shè)3 0為溫度Ts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)012為被測物體外表對半球罩頂 部小孔的角系數(shù)，那么由小孔通過的輻射功率為 bp 123 0。將反射罩換 成吸收罩，這時由于吸收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收罩內(nèi)外表的能量完全被吸收。敏感元件接收到的輻射功率即為被測外表發(fā)射的固有輻射功率ES= 12 3 0。固有輻射功率與黑體輻射功率的比值即為被測面的發(fā)射率：式中K敏感元件的熱轉(zhuǎn)換系數(shù)紅外傳感禹 (Va)吸收罩虹外(Vr測量傳感器結(jié)構(gòu)如上

12、圖所示，由吸收罩與反射罩兩局部組成。在理想情況下，被測面為灰體，半球反射罩反射率 p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 =(T T4。同時，理想情況下半球吸收罩的吸收率a為 1,被測外表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 面自身輻射能E = (T T4。這樣從兩罩小孔中出射的輻射能比值即 為被測外表發(fā)射率。實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)下被測外表的有效發(fā)射率 eff公式式中:a為罩體吸收率；F1和F2分別為被圍外表與半球罩面積。根據(jù)有效發(fā)射

13、率的意義，對于敏感元件熱電堆，半球吸收罩輸出 V與半球反射罩輸出Vr為：K = K L尺竝 TAX2V； = R詁占/九 TdX3式中： e ffa與 effr分別為吸收罩和反射罩對應(yīng)被測面的有效發(fā)射率， 兩者比值為電壓比。根據(jù)有效發(fā)射率式1可得實際測量的傳感器輸出電壓比將比被測 發(fā)射率小，但這局部偏差可通過標(biāo)定過程補(bǔ)償。該系統(tǒng)采用 4個第三 方測定的樣板對測量系統(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。在長期在線測量條件下，吸收罩和反射罩的溫度升高，其自身 輻射能也將通過被測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，從而引起測量誤差，通過分析建立誤 差

14、因素模型：(4)(5)/ 二 V +K A/ +K aamnJh乩2puir= I； +K dAtT+ Kg%式中人爲(wèi)，人走是吸收罩與其傳感器冷端的溫度誤差系數(shù)；心 V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1、 2、 3,將求得的發(fā)射率值標(biāo)定后即可實現(xiàn)發(fā)射率的在線長時測量。三、系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)測量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如下圖，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PT10C測量被測面溫度Ts,通過測 量外表溫度得到發(fā)射率與溫

15、度的對應(yīng)關(guān)系；信號處理模塊為溫度測量 局部提供電流驅(qū)動，并且采集7路信號進(jìn)行A /D轉(zhuǎn)換后通MODBUS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)償模型計算出發(fā) 射率值，并實時繪制被測面發(fā)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15 m,考慮到紅外熱電 堆傳感器的輸出為幾mV,如果將信號通過長線傳輸至電路將會對本 來就很小的信號造成衰減，因此采用將電路與2個半球罩做成一體結(jié) 構(gòu),如圖中實線框所示。該結(jié)構(gòu)對測量電路的測量精度與尺寸提出了 很高的要求。粥電堆信號 調(diào)理電路多路?t捌 開關(guān)轉(zhuǎn)換電流源多通道 A/D轉(zhuǎn)挽器CPU內(nèi)核電源、RS-48.5接口MOP BUS兩絡(luò)上徒機(jī)

16、軟件四、系統(tǒng)電路設(shè)計測量電路設(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)震動和高溫環(huán)境， 而且測量響應(yīng)速度為m s級，無需復(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。根據(jù)測量電路對CPU的要求，采用ADuC845微處理器，測量電路如下圖,CPU外圍電路結(jié)構(gòu)簡單，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完全滿足測量要求。并且片內(nèi)集

17、成的400卩A電流源可直接驅(qū)動PT100信號，簡化了電路。熱電堆 輸出信號電壓芯片內(nèi)ADCt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，非常適用于對失調(diào)、噪聲抑制和電磁兼容要求高的電路。通過寄存器可將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1. 25 V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,測量范圍越小那么測量的精度越高，在該應(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20 m為閾值，在輸入小于20 mV時選擇0 20 mV,當(dāng)輸入大于20 mV時 程序自

18、動切換為0 40 mV.RS-485通信電路信號處理模塊與上位機(jī)使用RS- 485協(xié)議進(jìn)行長距離通信，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)共模抑制能力。它在125C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。 通信電路如下圖，注意：VDD2與GND必須是通過DC - DC隔離后的 電壓，才能實現(xiàn)系統(tǒng)的真正隔離。蜜TXDUKTXI自O(shè)A2XC:131 AHXDlPVRXDRE117尺485ft 口；MD五、標(biāo)定和實驗結(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)發(fā)射率樣板來 標(biāo)定，發(fā)射率分別為0. 23、，通過線性擬合的到最終發(fā)射率值。 為了驗證系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確性，采用紅外熱像儀校準(zhǔn)發(fā)射率方法進(jìn)行 比對，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 定方法簡單描述如下：其根