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、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。（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物體，根據(jù)傳熱理論推導出系統(tǒng)有關材料發(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

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行加熱，測量精度達到了2%，但是樣品制作復雜，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，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4000，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

3、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表面的發(fā)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。一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

4、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方案設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。其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)楹隗w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)

5、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。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502000，典型測量精度為5；光譜測

6、量范圍為0.820m，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

7、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工作原理，可作如下三個假設：（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播，因此上述的不斷反射和吸收過程是瞬間完成。設0為溫度TS時的黑體輻

9、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12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=120。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=120。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)。測量傳感器結(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，被測面為灰體，半球反射罩反射率 為1, 被測表面能量經(jīng)

10、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 = T4。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 = T4。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、罩對應被測面的有效發(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: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); ，為將測得電壓補償?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

12、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)射率與溫度的對應關系；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。在應用現(xiàn)場, 傳感器與上位機距離超過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。四、系統(tǒng)電路設計4.1測量電路設計系統(tǒng)待測輻射量很小，光電式傳感器對工作環(huán)境要求較高, 無法適應高溫環(huán)境。紅外熱電堆傳感器不僅能夠適應強震動和高溫環(huán)境，而且測量響應速度為m s級，無需復雜光學系統(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)

14、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 型ADC完全滿足測量要求。并且片內(nèi)集成的400 A 電流源可直接驅(qū)動PT100信號, 簡化了電路。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

15、應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.4.2 RS- 485通信電路信號處理模塊與上位機使用RS - 485協(xié)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磁耦隔離技術的隔離RS- 485收發(fā)器ADM 2483。磁耦隔離技術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

16、輸速率、時序精度和瞬態(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。五、標定和實驗結(jié)果在補償?shù)幕A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：其基本計算原理是通過紅外熱像儀得到被測面的溫度場圖像分布，通過溫度場圖像根據(jù)熱