发射率检测基础方法.docx

发射率检测方法一、中国外发射率检测现实状况表面辐射特征研究工作能够追溯到十八世纪，早在1753年富兰克林就提出不一样物质含有不一样接收和发散热量能力概念。几百年来大家在理论上、试验中、工程上做了大量研究工作。伴随辐射传热学、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方法有了很大进展。现在在国际上已建立了分别适适用于不一样温度和状态和不一样物质多种测试方法和装置。（1）量热法量热法基础原理是：一个热交换系统包含被测样品和周围相关物体，依据传热理论推导出系统相关材料发射率传热方程，经过测量样品一些点温度值得到系统热交换状态，即能求得发射率。量热法又分为稳态量热法和瞬态量热法。Worthing稳态加热法就是采取灯丝进行加热，测量精度达成了2%，不过样品制作复杂，且测量时间长。瞬态法即采取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，能正确测量多项参数，不过被测物必需是导体限制了其应用范围。（2）反射率法反射率法基于原理是对于不透明样品，反射率+吸收率=1，将已知强度辐射能量投射到透射率为0被测面上，依据能量守恒定律和基尔霍夫定律，经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。常见反射计有：Dunkle等人建立热腔反射计，该方法能够测量光谱发射率但不适适用于高温测量；意大利IMGC积分球反射计含有很宽测量温度范围；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础原理是直接测量样品辐射功率，依据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。通常均采取能量比较法，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，二者之比就是材料发射率值。(1)独立黑体法：独立黑体法采取标准黑体炉作为参考辐射源，样品和黑体是各自独立，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，探测器需要选择使用无光谱选择性温差电堆或热释电等器件；测量材料光谱发射率时，需要选择使用光子探测器并配置特定单色滤光片。许进堂等人曾采取独立黑体方案设计了一套法向全波长发射率测量装置，精度能够达成3.7%。独立黑体方案优点在于能够精细地制作标准辐射源，并可正确地计算其辐射特征。其缺点在于等温条件难以得到确保，尤其是对不良导热材料。在实际应用中，大家还常常采取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迫近黑体性能，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，因为红外傅里叶光谱仪发展和广泛应用，很多学者全部建立了基于该装置材料光谱发射率测量系统和装置。红外傅里叶光谱仪关键由迈克尔逊干涉仪和计算机组成，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，再把照射样品后多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光谱信息。所以，红外傅里叶光谱仪在测量红外发射方面是一个功效强大仪器。多年来，很多国家全部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。最含有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。系统整体结构示意图图所表示。系统能够同时测量材料光谱发射率和温度，温度测量范围为50，经典测量精度为5；光谱测量范围为0.820m，经典测试精度为3%。试样直径为1040mm，试样有效直径测量范围为13mm，为确保加热时试样温度均匀性，试样最好厚度为13 mm。（4）多波长测量法多光谱法是能够同时测量温度和光谱发射率新方法，其基础原理是利用待测样品在多光谱条件下辐射信息，经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。很多国家全部在研究多光谱法，多波长测量法原理是经过测量目标多光谱下辐射信息，建立发射率和波长关系模型及理论计算，同时得到温度和发射率信息值。该方法能够实现现场测量，而且测量温度没有上限，不过测量精度有限，而且对不一样材料适用性差，没有一个算法能适应全部材料。不过这是未来发展方向。发射率测量方法优缺点二、本方案基础原理考虑到红外热像仪和多光谱分析仪较贵，本方案计划采取“双罩法”测量。“双罩法”基础原理就是将待测样品辐射能量和处于相同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尤其说明均指半球发射率。在工程上将被测面近似为灰体，灰体定义是在任何温度下全部各波长射线辐射强度和同温度黑体对应波长射线辐射强度之比等于常数。测量原理结构图所表示，双罩即由半球吸收罩和半球反射罩组成，其中吸收罩内表面为高吸收率材料，反射罩内表面为高反射率材料。为了便于讨论半球罩检测工作原理，可作以下三个假设：（1）不考虑透射率（即透射率=0），反射罩内表面反射率和吸收罩内表面吸收率均为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能量损失。（3）罩内表面温度在测量过程中保持不变，所以罩内表面和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。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辐射能被反射罩内表面不停地反射，而被测物体表面却不停地吸收由反射罩反射回来辐射能。因为辐射是以光速传输，所以上述不停反射和吸收过程是瞬间完成。设0为温度TS时黑体辐射功率，当反射罩对着被测物体表面时，所组成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辐射功率等于黑体辐射功率。设12为被测物体表面对半球罩顶部小孔角系数，则由小孔经过辐射功率为Eb=120。将反射罩换成吸收罩，这时因为吸收罩表面和被测物体表面组成闭合腔体，所以被测物体表面辐射到吸收罩内表面能量完全被吸收。敏感元件接收到辐射功率即为被测表面发射固有辐射功率ES=120。固有辐射功率和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。测量传感器结构如上图所表示, 由吸收罩和反射罩两部分组成。在理想情况下，被测面为灰体，半球反射罩反射率 为1, 被测表面能量经反射罩数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 = T4。同时，理想情况下半球吸收罩吸收率为1，被测表面向吸收罩辐射能量均被其吸收，由小孔出射能量为被测面本身辐射能E = T4。这么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概念, 可得半球罩结构下被测表面有效发射率eff公式式中: 为罩体吸收率; F1 和F2 分别为被围表面和半球罩面积。依据有效发射率意义，对于敏感元件热电堆，半球吸收罩输出Va 和半球反射罩输出Vr 为:式中: e ffa和ef fr分别为吸收罩和反射罩对应被测面有效发射率，二者比值为电压比。依据有效发射率式( 1)可得实际测量传感器输出电压比将比被测发射率小, 但这部分偏差可经过标定过程赔偿。该系统采取4个第三方测定样板对测量系统进行标定, 赔偿因为反射罩和吸收罩特征影响造成误差。在长久在线测量条件下, 吸收罩和反射罩温度升高, 其本身辐射能也将经过被测面反射后由小孔出射, 而且热电堆输出电压随传感器冷端温度升高而改变, 从而引发测量误差, 经过分析建立误差原因模型:式中，是吸收罩和其传感器冷端温度误差系数； ，是反射罩和其传感器冷端温度误差系数; ，为将测得电压赔偿到一个相对零点后仅含有表面辐射量信息值用 和替换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、系统总体结构测量系统总体结构图所表示，包含传感器模块、信号处理模块和上位机测量显示模块。传感器模块包含2个半球罩及热电堆传感器、4 路PT100 热电阻测量赔偿温度和一路PT100测量被测面温度Ts， 经过测量表面温度得到发射率和温度对应关系；信号处理模块为温度测量部分提供电流驱动，而且采集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；上位机接收数据后经过赔偿模型计算出发射率值, 并实时绘制被测面发射率随温度改变曲线。在应用现场, 传感器和上位机距离超出15 m, 考虑到红外热电堆传感器输出为几mV, 假如将信号经过长线传输至电路将会对原来就很小信号造成衰减, 所以采取将电路和2个半球罩做成一体结构, 图中实线框所表示。该结构对测量电路测量精度和尺寸提出了很高要求。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要求较高, 无法适应高温环境。红外热电堆传感器不仅能够适应强震动和高温环境，而且测量响应速度为m s级，无需复杂光学系统。综合各方面考虑，系统采取红外热电堆传感器。测量系统采取传感器和电路一体结构，电路板空间狭小, 要求电路含有很高集成度， mV级热电堆输出电压不管在测量精度还是抗干扰上全部加大了难度。依据测量电路对CPU 要求, 采取ADuC845 微处理器, 测量电路图所表示,CPU 外围电路结构简单, 只需要提供电源及参考电压, 片内集成可编程增益放大器PGA 和高达24 位分辨率 型ADC完全满足测量要求。而且片内集成400 A 电流源可直接驱动PT100信号, 简化了电路。芯片内ADC上斩波机制使其含有优良抑制直流失调及漂移性能，很适适用于对失调、噪声抑制和电磁兼容要求高电路。经过寄存器可将PGA 增益编程为8 级以满足不一样输入范围, 并在测量电路中添加1. 25 V 偏置电压让输入信号工作在放大器线性区, 提升测量精度。对于PGA, 测量范围越小则测量精度越高，在该应用中传感器输出小于40 mV, 所以为了充足利用芯片精度，在该电路中经过单片机程序识别输入信号范围自动选择PGA 增益，设定20 mV为阈值, 在输入小于20 mV 时选择0 20 mV, 当输入大于20 mV 时程序自动切换为0 40 mV.4.2 RS- 485通信电路信号处理模块和上位机使用RS - 485协议进行长距离通信, 因为电路所处环境为强电磁干扰, 所以为了增强抗干扰能力提升可靠性, 采取基于iCoup ler磁耦隔离技术隔离RS- 485收发器ADM 2483。磁耦隔离技术因为没有光电耦合器中影响效率光电转换步骤, 实现了低功耗和高集成度, 而且含有更高数据传输速率、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, 很适适用于该系统高温环境。通信电路图所表示, 注意: VDD2和GND2必需是经过DC - DC 隔离后电压, 才能实现系统真正隔离。五、标定和试验结果在赔偿基础上测量系统经过4 块第三方检定标准发射率样板来标定, 发射率分别为0. 23、0.34、0.64、0.92, 经过线性拟合到最终发射率值。为了验证系统测量正确性, 采取红外热像仪校准发射率方法进行比对, 该测试装置经过了计量单位检验, 热像仪校准方法基础测定方法简单描述以下：其基础计算原理是经过红外热像仪得到被测面温度场图像分布，经过温度场图像依据热像仪图像处理软件分析能够得到热像仪吸收测量波长范围内红外能量，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，依据发射率、辐射能量和温度三个值知道两个即可求得第三个原理，经过对所得红外能量和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、总结本方法经过东北大学高魁明教授、华中科技大学叶林教授改善，经过系统误差矫正，可用在高温（600度以上）发射率测量，误差率不超出5%。系统设备能够由控制工程系和测控仪器系设计出来。另外，也可采取主动发射率法方案进行发射率测量。