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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能够追溯到十八世纪, 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。当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。

( 1) 量热法
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, 经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。Worthing的稳态加热法就是采用灯丝进行加热, 测量精度达到了2%, 可是样品制作复杂, 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4000℃, 能精确测量多项参数, 可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+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, 经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。常见的反射计有: 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光滑表面的发射率。

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, 精度能够达到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。

系统能够同时测量材料的光谱发射率和温度, 温度测量范围为50~ ℃, 典型测量精度为5％; 光谱测量范围为0.8~20μm, 典型测试精度为3%。试样直径为10~40mm, 试样的有效直径测量范围为1~3mm, 为保证加热时试样温度的均匀性, 试样的最佳厚度为1~3 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, 经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经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, 而且测量温度没有上限, 可是测量精度有限, 而且对不同材料的适用性差, 没有一种算法能适应所有材料。可是这是未来的发展方向。
发射率测量方法的优缺点

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, 因此上述的不断反射和吸收过程是瞬间完成。
设ω0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φ12为被测物体表面对半球罩顶部小孔的角系数, 则由小孔经过的辐射功率为Eb=φ12ω0。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=φ12εω0。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:
式中K敏感元件的热转换系数。

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 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 = σ T4。同时, 理想情况下半球吸收罩的吸收率α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 = ε σ 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εeff公式

式中: α为罩体吸收率; 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Va 与半球反射罩输出Vr 为:

式中: ε e ffa与εef fr分别为吸收罩和反射罩对应被测面的有效发射率, 两者比值为电压比。
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, 但这部分偏差可经过标定过程补偿。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变化, 从而引起测量误差, 经过分析建立误差因素模型:

式中, 是吸收罩与其传感器冷端的温度误差系数; , 是反射罩与其传感器冷端的温度误差系数; , 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 热电阻测量补偿温度和一路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, 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, 如果将信号经过长线传输至电路将会对原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。

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但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, 系统采用红外热电堆传感器。
测量系统采用传感器与电路一体的结构, 电路板空间狭小, 要求电路具有很高的集成度, mV级的热电堆输出电压不论在测量精度还是抗干扰上都加大了难度。根据测量电路对CPU 的要求, 采用ADuC845 微处理器, 测量电路如图所示,CPU 外围电路结构简单, 只需要提供电源及参考电压, 片内集成的可编程增益放大器PGA 和高达24 位分辨率的 型ADC完全满足测量要求。而且片内集成的400 μA 电流源可直接驱动PT100信号, 简化了电路。

芯片内ADC上的斩波机制使其具有优良抑制直流失调及漂移性能, 非常适用于对失调、 噪声抑制和电磁兼容要求高的电路。经过寄存器可将PGA 增益编程为8 级以满足不同的输入范围, 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的线性区, 提高测量精度。对于PGA, 测量范围越小则测量的精度越高, 在该应用中传感器输出小于40 mV, 因此为了充分利用芯片的精度, 在该电路中经过单片机程序识别输入信号的范围自动选择PGA 的增益, 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
信号处理模块与上位机使用RS - 485协议进行长距离通信, 由于电路所处的环境为强电磁干扰, 因此为了增强抗干扰能力提高可靠性, 采用基于iCoup ler磁耦隔离技术的隔离RS- 485收发器ADM 2483。磁耦隔离技术由于没有光电耦合器中影响效率的光电转换环节, 实现了低功耗和高集成度, 而且具有更高的数据传输速率、 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, 非常适用于该系统的高温环境。通信电路如图所示, 注意: VDD2与GND2必须是经过DC - DC 隔离后的电压, 才能实现系统的真正隔离。

五、 标定和实验结果
在补偿的基础上测量系统经过4 块第三方检定的标准发射率样板来标定, 发射率分别为0. 23、 0.34、 0.64、 0.92, 经过线性拟合的到最终发射率值。为了验证系统测量的准确性, 采用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, 热像仪校准方法的基本测定方法简单描述如下: 其基本计算原理是经过红外热像仪得到被测面的温度场图像分布, 经过温度场图像根据热像仪的图像处理软件分析能够得到热像仪吸收的测量波长范围内的红外能量, 在需要测量发射率的测试点焊上热电偶测量实时的被测表面温度, 根据发射率、 辐射能量与温度三个值知道两个即可求得第三个的原理, 经过对所得的红外能量与热电偶测得的温度进行软件计算即可换算得出该被测点的发射率。
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的改进, 经过系统误差矫正, 可用在高温( 600度以上) 发射率的测量, 误差率不超过5%。系统的设备能够由控制工程系和测控仪器系设计出来。另外, 也可采用主动发射率法的方案进行发射率测量。