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)狀表面輻射特性的研究工作可以追溯到十八世紀， 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、紅外技術(shù)、太陽能研究、材料科學及黑體空腔理論等的發(fā)展， 近五十年以來材料發(fā)射率的測量方法有了很大的進展。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反射率法能量法精赤星慈法解套五亂法積分球反射詩熱晾反射詁激光仙報法獨,黑體法雙!r體法恪體黑體法以換尸體法(1)量熱法量熱法的基本原理是：一個熱交換系統(tǒng)包含被測樣品和周圍相關(guān)物體，根據(jù)傳熱理

2、論推導出系統(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 用燈絲進行加熱，測量精度達到了 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勺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4000C,能精確測量多項參數(shù)，但是被測物必須是 導體限制了其應(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, 將已知強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 定

3、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：Dunkle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探測器工作原理圖iHilBikaiHBAi ji回I 1Ipg“錯1千H27FTWd26I251244 uPlw*1N建Mi*1TM21.IMu ?9It BUM2u8HU:柿17枕Lw6L手HI5fM4fciH34mMb M1*12S=U4B3索11LPEEK1091,.8.*-h標tlt«7PEEK6ftIM科書5tl4PEEK

4、3IrccK2I m1M,1叫耕IL 1工融探測器組裝圖(3)輻射能量法法能量法的基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表面的發(fā)射率。般均采用能量比較法，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：獨立黑體法采用標準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。許進堂等人曾采用獨立黑體

5、方案設(shè)計了一套法向全波長發(fā)射率測量裝置，精度可以達到3.7%。獨立 黑體方案的優(yōu)點在于能夠精細地制作標準輻射源， 并可精確地計算其輻射特性。具缺點在于等溫條件難以得到保證， 特別是對不良導熱材 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 為黑體或逼近黑體性能，從而進行材料發(fā)射率的測量。兩種轉(zhuǎn)換黑體法示意圖(2)紅外傅里葉光譜法：進入90年代以來，由于紅外傅里葉光譜儀的 發(fā)展和廣泛應(yīng)用，很多學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涉儀和計算機組 成，其工作原理是光源發(fā)出

6、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經(jīng)干涉作用調(diào)制為干涉圖函數(shù)，由計算機進行傅里葉變換，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大的儀器。近年來，許多國家都進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)示意圖如圖所示。FT JRF涉儀 I i|卜一_ln5A僚測器JtH 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502000C,典型測量精度為5%;光譜測量范圍為0

7、.820 w卬典型測試精度為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，試樣的最佳厚度為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，其基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)學模型進行理論分析計算，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，不需要制作標準樣品。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)射率信息值。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場測 量，并且測量溫

8、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。但是這是未來的發(fā)展方向發(fā)射率測量方法的優(yōu)缺點方法優(yōu)點跳熬裝置制招.常量:的是華球全發(fā)射率. n 皮而，可同時飄盤醫(yī)他的曲物性善數(shù)樣品制作麻川1,酒猶時何故長，不 適合在統(tǒng)測鼠反時率法樣品制作簡但.設(shè)林比軸簡成，制試周 明較知能測M川可及時率.MT量溫度 卜網(wǎng)他，玷應(yīng)在線捌集乂他溶質(zhì)方向發(fā)射率.葫班高發(fā)時事材料不掂確，不能測盤透明材料.清盤受材科表面粗髓魔影響大軌射能量法利質(zhì)理論發(fā)屣光舌，沒犒比較荷g.測 "格度高.速度快.不需要求利得準的用附轆鼠由可適應(yīng)住線源笠據(jù)姆fl攤以完？保證,尤其足M 不白的好

9、然材料，等效黑體川人誤 口，林雅科枝做尿定歲波長法不需要標準flf板.非靠近用于現(xiàn)場在線洲量，/溫匕陽橋用島，響陽快穗見二論研究不夠深人,對村料的適用件工.稻度較低二、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，本方案計劃采用雙罩法”測量。雙罩法”的基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度與同 溫度黑體的相應(yīng)波長射線的輻射強度之比等于常數(shù)。測量原理結(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

10、吸收罩內(nèi)表面為高吸收率材料，反射罩內(nèi)表面為高反射率材料。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)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)表面溫度在測量過程中保持不 變，因此罩內(nèi)表面與被測表面間沒有相對傳熱。 設(shè)被測物體表面的溫 度為Ts,發(fā)射率為&當半球反射罩扣在被測物體表面上時，反射罩 和被測物體表面組成一個閉合腔體，由被測物體表面發(fā)射的輻射能被 反射罩內(nèi)表面不斷地反射，而被測物體表面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

11、播，因此上述的不斷反射和吸 收過程是瞬間完成。設(shè)K為溫度Ts時的黑體輻射功率，當反射罩對著被測物體表面時， 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) M2為被測物體表面對半球罩頂 部小孔的角系數(shù)，則由小孔通過的輻射功率為 Eb= 12W0O將反射罩換 成吸收罩，這時由于吸收罩表面和被測物體表面組成閉合腔體，因此被測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表面發(fā)射的固有輻射功率 ES=M2so 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)紅外傳感器2測量傳感器結(jié)構(gòu)如上

12、圖所示，由吸收罩與反射罩兩部分組成。在理想 情況下，被測面為灰體，半球反射罩反射率p為1,被測表面能量經(jīng)反射罩多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 = (TT4O同時，理想情況下半球吸收罩的吸收率 %為1,被 測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面 自身輻射能E = £打4。這樣從兩罩小孔中出射的輻射能比值即為被測 表面發(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 測表面的有效發(fā)射率ef公式式中：a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

13、的意義，對于敏感元件熱電堆，半球吸收罩輸出Va與半球反射罩輸出Vr為:式中：電ffa與fr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，但這部分偏差可通過標定過程補償。該系統(tǒng)采用 4個第三方 測定的樣板對測量系統(tǒng)進行標定，補償由于反射罩和吸收罩特性影 響導致的誤差。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 差因素模型：匕=匕十七”十心%（5）式中 ”大立是吸收罩與其傳感器冷端

14、的溫度誤差系數(shù)；“日，人目是反射罩與其傳感器冷端的溫度誤差系數(shù)；丁，,為將測得電 一、-I t 人占一，、廠從/I V -壓補償?shù)揭粋€相對零點后僅含有表面輻射量信息的值用“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)如圖所示，包括傳感器模塊、信號處理模塊和上位 機測量顯示模塊。傳感器模塊包括2個半球罩及熱電堆傳感器、4路 PT100熱電阻測量補償溫度和一路PT100測量被測面溫度Ts,通過 測量表面溫度得到發(fā)射率與溫度的對應(yīng)關(guān)系；信號處理模塊為溫度測 量部分提供電流驅(qū)動，并且采集7路信號

15、進行A /D轉(zhuǎn)換后通MODBUS 協(xié)議將數(shù)據(jù)實時傳輸給上位機；上位機接收數(shù)據(jù)后通過補償模型計算 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。多通道A/D轉(zhuǎn)換器CPU內(nèi)核熱電堆信號 調(diào)理電網(wǎng)溫修信號 調(diào)理電路多路模擬 開關(guān)轉(zhuǎn)換電流通路傳器體構(gòu) 電與感一結(jié)MODBLS網(wǎng)第補償算法計算后輸出四、系統(tǒng)電路設(shè)計4.1 測量電路設(shè)計系統(tǒng)待測輻射

16、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論在測量精度還是 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，測量電路如圖所示,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24位 分辨率的A-t 型AD浣全滿足測量要求。并且片內(nèi)集成的400 p A電流源可直接驅(qū)動P

17、T100信號，簡化了電路。熱電堆 輸出信號偏置電壓芯片內(nèi)ADC上的斬波機制使其具有優(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彳在放大器的線性區(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 通過單片機程序識別輸入信號的范圍自動選擇 PGA的增益，設(shè)定20 mV為閾值，在輸入小于20 mV時選擇0 20 mV,當輸入大于20 mV時程序自動切換為0 40 mV

18、.4.2 RS- 485 通信電路信號處理模塊與上位機使用RS - 485&議進行長距離通信，由于 電路所處的環(huán)境為強電磁干擾，因此為了增強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DC - DC隔離 后的電壓，才能實現(xiàn)系統(tǒng)的真正隔離。BU7JJKTXI)PVRXDREHXUITXD1門 0PA, 幻盲-TTi5R1a485接口I2五、標定和實驗結(jié)果在補償?shù)幕A(chǔ)上測量系統(tǒng)通過4塊第三方檢定的標準發(fā)射率樣板來標定，發(fā)射率分別為0. 23、0.34、0.64、0.92,通過線性擬合的到最終發(fā)射率值。為了驗證系統(tǒng)測量的準確性, 采用紅外熱像儀校準發(fā)射率方法進行比對, 該測試裝置經(jīng)過了計量單位檢驗, 熱像儀校準方法的基本測定方法簡單描述如下