发射率检测方法样本.docx

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发射率检测方法样本

发射率检测办法

一、国内外发射率检测现状

表面辐射特性研究工作可以追溯到十八世纪，早在1753年富兰克林就提出不同物质具备不同接受和发散热量能力概念。

几百年来人们在理论上、实验中、工程上做了大量研究工作。

随着辐射传热学、红外技术、太阳能研究、材料科学及黑体空腔理论等发展，近五十年以来材料发射率测量办法有了很大进展。

当前在国际上已建立了分别合用于不同温度和状态以及不同物质各种测试办法和装置。

（1）量热法

量热法基本原理是：

一种热互换系统包括被测样品和周边有关物体，依照传热理论推导出系统关于材料发射率传热方程，通过测量样品某些点温度值得到系统热互换状态，即能求得发射率。

量热法又分为稳态量热法和瞬态量热法。

Worthing稳态加热法就是采用灯丝进行加热，测量精度达到了2%，但是样品制作复杂，且测量时间长。

瞬态法即采用激光或电流等瞬态加热技术，其代表是70年代美国NIST基于积分球反射计法脉冲加热瞬态量热装置，其测量速度快，测量上限高达4000℃，能精准测量多项参数，但是被测物必要是导体限制了其应用范畴。

（2）反射率法

反射率法基于原理是对于不透明样品，反射率+吸取率=1，将已知强度辐射能量投射到透射率为0被测面上，依照能量守恒定律和基尔霍夫定律，通过反射计求得反射能量，得到样品反射率后即可换算成发射率。

惯用反射计有：

Dunkle等人建立热腔反射计，该办法可以测量光谱发射率但不合用于高温测量；意大利IMGC积分球反射计具备很宽测量温度范畴；激光偏振法只能用于测量光滑表面发射率。

探测器工作原理图

探测器组装图

（3）辐射能量法法

能量法基本原理是直接测量样品辐射功率，依照普朗克定律或斯蒂芬玻尔兹曼定律和发射率定义计算出样品表面发射率。

普通均采用能量比较法，即用同一探测器分别测量同一温度下绝对黑体及样品辐射功率，两者之比就是材料发射率值。

（1）独立黑体法：

独立黑体法采用原则黑体炉作为参照辐射源，样品与黑体是各自独立，辐射能量探测器分别对它们辐射量进行测量。

测量材料全波长发射率时，探测器需要选取使用无光谱选取性温差电堆或热释电等器件；测量材料光谱发射率时，需要选取使用光子探测器并配备特定单色滤光片。

许进堂等人曾采用独立黑体方案设计了一套法向全波长发射率测量装置，精度可以达到3.7%。

独立黑体方案长处在于可以精细地制作原则辐射源，并可精准地计算其辐射特性。

其缺陷在于等温条件难以得到保证，特别是对不良导热材料。

在实际应用中，人们还经常采用整体黑体法和转换黑体法两种能量法测量材料发射率，即在试样上钻孔或加反射罩，使被测材料变为黑体或逼近黑体性能，从而进行材料发射率测量。

两种转换黑体法示意图

（2）红外傅里叶光谱法:

进入90年代以来，由于红外傅里叶光谱仪发展和广泛应用，诸多学者都建立了基于该装置材料光谱发射率测量系统和装置。

红外傅里叶光谱仪重要由迈克尔逊干涉仪和计算机构成，其工作原理是光源发出光经迈克尔逊干涉仪调制后变成干涉光，再把照射样品后各种频率光信号经干涉作用调制为干涉图函数，由计算机进行傅里叶变换，一次性得到样品在宽波长范畴内光谱信息。

因而，红外傅里叶光谱仪在测量红外发射方面是一种功能强大仪器。

近年来，许多国家都进行了基于傅里叶红外光谱仪材料光谱发射率测量研究工作。

最具备代表性是半椭球反射镜反射计系统，该系统由Markham等人研制，曾获1994年美国百项研发大奖。

系统整体构造示意图如图所示。

系统可以同步测量材料光谱发射率和温度，温度测量范畴为50~℃，典型测量精度为5％；光谱测量范畴为0.8~20μm，典型测试精度为3%。

试样直径为10~40mm，试样有效直径测量范畴为1~3mm，为保证加热时试样温度均匀性，试样最佳厚度为1~3mm。

（4）多波长测量法

多光谱法是可以同步测量温度和光谱发射率新办法，其基本原理是运用待测样品在多光谱条件下辐射信息，通过假定发射率和波长数学模型进行理论分析计算，得到待测样品温度和光谱发射

率。

多光谱法长处是测量速度快，设备简朴易于现场测量，不需要制作原则样品。

诸多国家都在研究多光谱法，多波长测量法原理是通过测量目的多光谱下辐射信息，建立发射率与波长关系模型及理论计算，同步得到温度与发射率信息值。

该办法可以实现现场测量，并且测量温度没有上限，但是测量精度有限，并且对不同材料合用性差，没有一种算法能适应所有材料。

但是这是将来发展方向。

发射率测量办法优缺陷

二、本方案基本原理

考虑到红外热像仪和多光谱分析仪较贵，本方案筹划采用“双罩法”测量。

“双罩法”基本原理就是将待测样品辐射能量与处在相似温度下黑体所辐射能量相比，就得到待测样品发射率，本文中所述发射率如无特别阐明均指半球发射率。

在工程上将被测面近似为灰体，灰体定义是在任何温度下所有各波长射线辐射强度与同温度黑体相应波长射线辐射强度之比等于常数。

测量原理构造如图所示，双罩即由半球吸取罩与半球反射罩构成，其中吸取罩内表面为高吸取率材料，反射罩内表面为高反射率材料。

为了便于讨论半球罩检测工作原理，可作如下三个假设：

（1）不考虑透射率（即透射率=0），反射罩内表面反射率和吸取罩内表面吸取率均为1；

（2）顶部开口面积相对于半球面积可忽视，不需要考虑在开孔处能量损失。

（3）罩内表面温度在测量过程中保持不变，因而罩内表面与被测表面间没有相对传热。

设被测物体表面温度为Ts，发射率为ε。

当半球反射罩扣在被测物体表面上时，反射罩和被测物体表面构成一种闭合腔体，由被测物体表面发射辐射能被反射罩内表面不断地反射，而被测物体表面却不断地吸取由反射罩反射回来辐射能。

由于辐射是以光速传播，因而上述不断反射和吸取过程是瞬间完毕。

设ω0为温度TS时黑体辐射功率，当反射罩对着被测物体表面时，所构成闭合腔体就成为一种等效黑体。

自然敏感元件从小孔中接受到辐射功率等于黑体辐射功率。

设φ12为被测物体表面对半球罩顶部小孔角系数，则由小孔通过辐射功率为Eb=φ12ω0。

将反射罩换成吸取罩，这时由于吸取罩表面和被测物体表面构成闭合腔体，因而被测物体表面辐射到吸取罩内表面能量完全被吸取。

敏感元件接受到辐射功率即为被测表面发射固有辐射功率ES=φ12εω0。

固有辐射功率与黑体辐射功率比值即为被测面发射率：

式中K敏感元件热转换系数。

测量传感器构造如上图所示，由吸取罩与反射罩两某些构成。

在抱负状况下，被测面为灰体，半球反射罩反射率ρ为1，被测表面能量经反射罩多次反射后由从小孔出射，此时被测面有效辐射率为1，其辐射能为E=σT4。

同步，抱负状况下半球吸取罩吸取率α为1，被测表面向吸取罩辐射能量均被其吸取，由小孔出射能量为被测面自身辐射能E=εσT4。

这样从两罩小孔中出射辐射能比值即为被测表面发射率。

实际反射罩反射率和吸取罩吸取率不也许为1，需要分析其误差影响。

这里引入有效发射率概念，可得半球罩构造下被测表面有效发射率εeff公式

式中：

α为罩体吸取率；F1和F2分别为被围表面与半球罩面

积。

依照有效发射率意义，对于敏感元件热电堆，半球吸取罩输出Va与半球反射罩输出Vr为:

式中：

εeffa与εeffr分别为吸取罩和反射罩相应被测面有效发射率，两者比值为电压比。

依照有效发射率式

（1）可得实际测量传感器输出电压比将比被测发射率小，但这某些偏差可通过标定过程补偿。

该系统采用4个第三方测定样板对测量系统进行标定，补偿由于反射罩和吸取罩特性影响导致误差。

在长期在线测量条件下，吸取罩和反射罩温度升高，其自身辐射能也将通过被测面反射后由小孔出射，并且热电堆输出电压随传感器冷端温度升高而变化，从而引起测量误差，通过度析建立误差因素模型:

式中

，

是吸取罩与其传感器冷端温度误差系数；

，

是反射罩与其传感器冷端温度误差系数；

，

为将测得电压补偿到一种相对零点后仅具有表面辐射量信息值用

和

代替Va和Vr解方程组

（1）、

（2）、（3），将求得发射率值标定后即可实现发射率在线长时测量。

三、系统总体构造

测量系统总体构造如图所示，涉及传感器模块、信号解决模块和上位机测量显示模块。

传感器模块涉及2个半球罩及热电堆传感器、4路PT100热电阻测量补偿温度和一路PT100测量被测面温度Ts，通过测量表面温度得到发射率与温度相应关系；信号解决模块为温度测量某些提供电流驱动，并且采集7路信号进行A/D转换后通MODBUS合同将数据实时传播给上位机；上位机接受数据后通过补偿模型计算出发射率值，并实时绘制被测面发射率随温度变化曲线。

在应用现场，传感器与上位机距离超过15m，考虑到红外热电堆传感器输出为几mV，如果将信号通过长线传播至电路将会对本来就很小信号导致衰减，因而采用将电路与2个半球罩做成一体构造，如图中实线框所示。

该构造对测量电路测量精度与尺寸提出了很高规定。

四、系统电路设计

4.1测量电路设计

系统待测辐射量很小，光电式传感器对工作环境规定较高，无法适应高温环境。

红外热电堆传感器不但可以适应强震动和高温环境，并且测量响应速度为ms级，无需复杂光学系统。

综合各方面考虑，系统采用红外热电堆传感器。

测量系统采用传感器与电路一体构造，电路板空间狭小，规定电路具备很高集成度，mV级热电堆输出电压无论在测量精度还是抗干扰上都加大了难度。

依照测量电路对CPU规定，采用ADuC845微解决器，测量电路如图所示,CPU外围电路构造简朴，只需要提供电源及参照电压，片内集成可编程增益放大器PGA和高达24位辨别率

型ADC完全满足测量规定。

并且片内集成400μA电流源可直接驱动PT100信号，简化了电路。

芯片内ADC上斩波机制使其具备优良抑制直流失调及漂移性能，非常合用于对失调、噪声抑制和电磁兼容规定高电路。

通过寄存器可将PGA增益编程为8级以满足不同输入范畴，并在测量电路中添加1.25V偏置电压让输入信号工作在放大器线性区，提高测量精度。

对于PGA，测量范畴越小则测量精度越高，在该应用中传感器输出不大于40mV，因而为了充分运用芯片精度，在该电路中通过单片机程序辨认输入信号范畴自动选取PGA增益，设定20mV为阈值，在输入不大于20mV时选取0~20mV，当输入不不大于20mV时程序自动切换为0~40mV.

4.2RS-485通信电路

信号解决模块与上位机使用RS-485合同进行长距离通信，由于电路所处环境为强电磁干扰，因而为了增强抗干扰能力提高可靠性，采用基于iCoupler磁耦隔离技术隔离RS-485收发器ADM2483。

磁耦隔离技术由于没有光电耦合器中影响效率光电转换环节，实现了低功耗和高集成度，并且具备更高数据传播速率、时序精度和瞬态共模抑制能力。

它在125℃高温环境下性能和可靠性并不下降，在抗高温影响方面远优于光耦合器，非常合用于该系统高温环境。

通信电路如图所示，注意：

VDD2与GND2必要是通过DC-DC隔离后电压，才干实现系统真正隔离。

五、标定和实验成果

在补偿基本上测量系统通过4块第三方检定原则发射率样板来标定，发射率分别为0.23、0.34、0.64、0.92，通过线性拟合到最后发射率值。

为了验证系统测量精确性，采用红外热像仪校准发射率办法进行比对，该测试装置通过了计量单位检查，热像仪校准办法基本测定办法简朴描述如下：

其基本计算原理是通过红外热像仪得到被测面温度场图像分布，通过温度场图像依照热像仪图像解决软件分析可以得到热像仪吸取测量波长范畴内红外能量，在需要测量发射率测试点焊上热电偶测量实时被测表面温度，依照发射率、辐射能量与温度三个值懂得两个即可求得第三个原理，通过对所得红外能量与热电偶测得温度进行软件计算即可换算得出该被测点发射率。

六、总结

本办法通过东北大学高魁明专家、华中科技大学叶林专家改进，通过系统误差矫正，可用在高温（600度以上）发射率测量，误差率不超过5%。

系统设备可以由控制工程系和测控仪器系设计出来。

此外，也可采用积极发射率法方案进行发射率测量。