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1、发射率检测方法一、国内外发射率检测现状表面辐射特性的研究工作可以追溯到十八世纪，早在1753年富兰 克林就提出不同的物质具有不同的接受和发散热量能力的概念。几百 年来人们在理论上、实验中、工程上做了大量的研究工作。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的发展， 近五十年以来材料发射率的测量方法有了很大的进展。目前在国际上 已建立了分别适用于不同温度和状态以及不同物质的各种测试方法 和装置。g熱法一半曲疑射率r 梃态呈擀法瞬态蛍热法反射率法 貶M法厂 , 丿r方向歴射生 J K 雄射塞广积分陳反射计J热腔反射讣 婕立黒体法取黑体法5豔体黑钵法转换罢体注I多光鮒（1）量热
2、法量热法的基本原理是：一个热交换系统包含被测样品和周围相关 物体，根据传热理论推导出系统有关材料发射率的传热方程，通过测 量样品某些点的温度值得到系统的热交换状态，即能求得发射率。量 热法又分为稳态量热法和瞬态量热法。Wor thing的稳态加热法就是采 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的基于积分球反射计法的脉冲加热瞬态量热装置，其测量速度 快，测量上限高达4000C，能精确测量多项参数，但是被测物必须是 导体限制了其应用范围。（2）反射率法 反射率法基于的原理是对于不透明的样品，反射率+
3、吸收率=1，将已知强度的辐射能量投射到透射率为0的被测面上，根据能量守恒 定律和基尔霍夫定律，通过反射计求得反射能量，得到样品的反射率 后即可换算成发射率。常用的反射计有：Dunkle等人建立的热腔反射 计，该方法能够测量光谱发射率但不适用于高温测量；意大利IMGC 的积分球反射计具有很宽的测量温度范围；激光偏振法只能用于测量探测器工作原理图282顒件1PTltW1KI15E4AifUtt4PI23tifiri#11Bl1TMPO出刖协IS2TW19UHWt218阳17L平關16tt15KIVVi14|E|Atifti13WTJWt阻 IKi柚1SUlB11PEEK!O肄电冊龄19sill0L
4、til*7*铀PEEK65tte4PEEK3f XMPEEK2!耿郴榊探测器组装图(3) 辐射能量法法能量法的基本原理是直接测量样品的辐射功率，根据普朗克定律 或斯蒂芬玻尔兹曼定律和发射率的定义计算出样品表面的发射率。一 般均采用能量比较法，即用同一探测器分别测量同一温度下绝对黑体 及样品的辐射功率，两者之比就是材料的发射率值。(1)独立黑体法：独立黑体法采用标准黑体炉作为参考辐射源， 样品与黑体是各自独立的，辐射能量探测器分别对它们的辐射量进行 测量。测量材料全波长发射率时，探测器需要选择使用无光谱选择性 的温差电堆或热释电等器件；测量材料光谱发射率时，需要选择使用 光子探测器并配备特定的单
5、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 黑体方案的优点在于能够精细地制作标准辐射源，并可精确地计算其 辐射特性。其缺点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，人们还常常采用整体黑体法和转换黑体法两种能 量法测量材料的发射率，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的测量。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的发展和广泛应用，很多学者都建立了基于该装置的材料光谱发射率测量系统和装置。红外傅里叶光谱仪主要由迈克尔逊干涉仪和
6、计算机组成，其工作原理是光源发出的光经迈克尔逊干涉仪调制后变成干涉光再把照射样品后的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围内的光谱信息因此，红外傅里叶光谱仪在测量红外发射方面是一个功能强大的仪器近年来，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的研究工作。最具有代表性的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。系统的整体 结构示意图如图所示。系统可以同时测量材料的光谱发射率和温度，温度测量范围为502000C，典型测量精度为5%；光谱测量范围为0.820“m典型 测试精度
7、为3%。试样直径为1040mm,试样的有效直径测量范围为 13mm,为保证加热时试样温度的均匀性，试样的最佳厚度为13 mm。（4）多波长测量法多光谱法是可以同时测量温度和光谱发射率的新方法，其基本原 理是利用待测样品在多光谱条件下的辐射信息，通过假定的发射率和 波长的数学模型进行理论分析计算，得到待测样品的温度和光谱发射率。多光谱法的优点是测量速度快，设备简单易于现场测量，不 需要制作标准样品。很多国家都在研究多光谱法，多波长测量法的原 理是通过测量目标多光谱下的辐射信息，建立发射率与波长关系模型 及理论计算，同时得到温度与发射率信息值。该方法能够实现现场测 量，并且测量温度没有上限，但是测
8、量精度有限，并且对不同材料的 适用性差，没有一种算法能适应所有材料。但是这是未来的发展方向。发射率测量方法的优缺点优血隸恵装7l简易-测駐的星V-球金发射事粘度商，可同BifflMJCtt的热鞫性蠡独槪测对复股只能是&优以料】样甜制作麻烦，謂试时耐较艮,不适存在线测凰样甜制作简te&铀比较简单.测u阖刪战短，能测盘卉向捉射率，刪虽温度 予限低，适应在跳测量只诡测尿方简笈射器测如门乓鸭 率材料不滩确，不龍關颐明材料， 测量受材料表面粗拠度总响大辐射能虽法测虽理论发据处善设論比较简机M 虽箱度高，聽度快.不需婪求测得峯确 的轴射齟凰値，可适应住尖测业肾掘綸件点口亢全保计尤莫址対不覆的辱熱材糾.绑效
9、黑啊人谋药需标從样板姒标运茅波长法不需耍标准祥扳非常适用于现场在线 测吐测温上呪鞫别高，响屁快30理论研究不够裸入.对材科的i6Juri z .牯度牧低二、本方案的基本原理考虑到红外热像仪和多光谱分析仪较贵，本方案计划采用“双罩 法”测量。“双罩法”的基本原理就是将待测样品的辐射能量与处于相 同温度下黑体所辐射的能量相比，就得到待测样品的发射率，本文中 所述的发射率如无特别说明均指半球发射率。在工程上将被测面近似 为灰体，灰体的定义是在任何温度下所有各波长射线的辐射强度与同 温度黑体的相应波长射线的辐射强度之比等于常数。测量原理结构如图所示，双罩即由半球吸收罩与半球反射罩组成，其 中吸收罩内表
10、面为高吸收率材料，反射罩内表面为高反射率材料。为 了便于讨论半球罩的检测工作原理，可作如下三个假设：（1）不考 虑透射率（即透射率=0），反射罩的内表面反射率和吸收罩的内表面 吸收率均为 1；（2）顶部开口面积相对于半球面积可忽略，不需要 考虑在开孔处的能量损失。（3）罩内表面温度在测量过程中保持不 变，因此罩内表面与被测表面间没有相对传热。设被测物体表面的温 度为Ts,发射率为。当半球反射罩扣在被测物体表面上时，反射罩 和被测物体表面组成一个闭合腔体，由被测物体表面发射的辐射能被 反射罩内表面不断地反射，而被测物体表面却不断地吸收由反射罩反 射回来的辐射能。由于辐射是以光速传播，因此上述的不
11、断反射和吸 收过程是瞬间完成。设为温度TS时的黑体辐射功率，当反射罩对着被测物体表面时， 所组成的闭合腔体就成为一个等效黑体。自然敏感元件从小孔中接收 到的辐射功率等于黑体辐射功率。设机2为被测物体表面对半球罩顶 部小孔的角系数，则由小孔通过的辐射功率为Eb=i20。将反射罩换 成吸收罩，这时由于吸收罩表面和被测物体表面组成闭合腔体，因此 被测物体表面辐射到吸收罩内表面的能量完全被吸收。敏感元件接收 到的辐射功率即为被测表面发射的固有辐射功率ES=r12%o。固有辐 射 功 率 与黑 体 辐 射 功 率 的 比值即 为 被 测 面 的 发 射 率 ： 茁 K聊匹哄、&式中 K 敏感元件的热转换
12、系数。4红外伶感器I 吕 (Va)戾射罩红外传感謝 (Vr)测量传感器结构如上图所示, 由吸收罩与反射罩两部分组成。在理想 情况下，被测面为灰体，半球反射罩反射率p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 = o T4。同时，理想情况下半球吸收罩的吸收率a为1,被 测表面向吸收罩辐射的能量均被其吸收，由小孔出射的能量为被测面自身辐射能E = so T4。这样从两罩小孔中出射的辐射能比值即为被测表面发射率。实际的反射罩反射率和吸收罩吸收率不可能为1，需要 分析其误差影响。这里引入有效发射率的概念, 可得半球罩结构下被 测表面的有效发射率s f
13、f公式eff(1J式中：伪罩体吸收率；F1和F2分别为被围表面与半球罩面 积。根据有效发射率的意义，对于敏感元件热电堆，半球吸收罩输出V与半球反射罩输出V为： ar人二K 詁川訂鵝门収(2)VT = K J点/屛花 T)d(3)式中： ff与 ff分别为吸收罩和反射罩对应被测面的有效发射率两 e ffa ef fr者比值为电压比。根据有效发射率式( 1)可得实际测量的传感器输出电压比将比被测 发射率小, 但这部分偏差可通过标定过程补偿。该系统采用4个第三 方测定的样板对测量系统进行标定,补偿由于反射罩和吸收罩特性 影响导致的误差。在长期在线测量条件下, 吸收罩和反射罩的温度升高,其自身 辐射能
14、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, 通过分析建立误 差因素模型：/ = F +K A/ +K(4) 昭乂从(5)式中，一是吸收罩与其传感器冷端的温度误差系数；人，人一 是反射罩与其传感器冷端的温度误差系数；，1 为将测得电 压补偿到一个相对零点后仅含有表面辐射量信息的值用和I代替Va和Vr解方程组(1)、( 2)、( 3),将求得的发射率值标定后 即可实现发射率的在线长时测量。三、系统的总体结构测量系统总体结构如图所示，包括传感器模块、信号处理模块和上位 机测量显示模块。传感器模块包括2个半球罩及热电堆传感器、4 路PT100
15、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的对应关系；信号处理模块为温度测量 部分提供电流驱动，并且采集7路信号进行A /D转换后通MODBUS协议 将数据实时传输给上位机；上位机接收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的变化曲线。在应用现场，传感器与上位机距离超过15 m,考虑到红外热电 堆传感器的输出为几mV,如果将信号通过长线传输至电路将会对本 来就很小的信号造成衰减, 因此采用将电路与2个半球罩做成一体结 构, 如图中实线框所示。该结构对测量电路的测量精度与尺寸提出了 很高的要求。电流源ipa ta溫ft信号熱电堆信号 调理电路|调理电路参路模
