CN103063312A - 一种测量物体发射率的测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量物体发射率的测量系统及方法，测量系统包括探测器、辐射源和分光镜，探测器置于与被测物体及分光镜同一光路中，辐射源与探测器、分光镜所处光路所在的直线垂直，并与分光镜处于同一直线上；分光镜分别与探测器探测面、辐射源表面成45度角，分光镜处于被测物体与探测器中间光路。所述发射率测量方法涉及同过改变辐射源的辐射量分别测量探测器的输出值，利用发射率推导公式进行计算。本发明系统安装简单，测量光路稳定并且易于调整，操作方便；能够避免绝对测量造成的误差，从而实现发射率的精确测量。

Description

一种测量物体发射率的测量系统及方法

技术领域

本发明涉及发射率测量领域，特别是一种发射率测量方法及基于探测器测量物体波段发射率的系统。

背景技术

物体真实温度的测量在日常生活、工业生产和目标探测等领域有重要的作用，发射率是测量物体真实温度最重要的参数。发射率是实际物体与理想黑体的自身辐射能量之比，因此精确测量物体的发射率是物体精确测温的基础。

目前存在的使用探测器测量物体波段发射率的方法有以下二种：一是参考物体法，该方法分为近距离和远距离两种，近距离基于发射率的定义，在相同温度和相同波段下，测量被测样品的辐射能量与黑体的辐射能量的比值。该方法缺点是测量常温附近的材料光谱发射率比较困难，当试样和探测器都处于常温时，从原理上讲是得不到探测器输出的，即使试样温度高出探测器温度几度至二、三十度，探测器输出的信噪比也是比较低的，影响测试准确度；远距离利用被测物体附近已知参考体，该方法缺点不适宜测量无法放置参考体的地方，同时不适宜未知温度的物体；方法二，直接测量法，通过测量物体温度，并利用普朗克公式测量计算物体发射率，该方法不适用于无法进行接触测量表面温度的物体。现有方法需要借助于参考体或接触被测物体，而不能满足单独对物体进行非接触测量。

目前常用高精度发射率测量装置为采用对称双光路的光机结构，整个装置由样品加热炉、参考黑体、温度控制器、水冷光拦、光学系统、单色仪以及数据采集/处理电路和计算机组成，该系统测量原理采用了方法一的参考物体法，利用两个探测器分别测量待测目标和黑体在同温、同波长下的两路辐射能，利用其比值确定样品在该温度下的发射率。该系统无法测量常温附近的材料光谱发射率，并且安装困难，需要较高的安装精度，操作复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种发射率测量方法及非接触无需参考体测量精度高、结构简单、安装方便的基于探测器的物体发射率测量系统及测量方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种测量物体发射率的测量系统，包括探测器、辐射源和分光镜，探测器置于与被测物体及分光镜同一光路中，辐射源提供主动辐射，与探测器、分光镜所处光路所在的直线垂直，并与分光镜处于同一直线上；分光镜分别与探测器探测面、辐射源表面成度角，分光镜处于被测物体与探测器中间光路；辐射源表面入射光线与分光镜反射面成度角，经分光镜表面反射的光线到达被测物体，光线经被测物体表面反射到达分光镜并经分光镜透射到达探测器表面。

所述分光镜固定在支架上，分光镜为半透半反射镜，包括红外半透半反射镜、可见光半透半反射镜和全波段半透半反射镜。

所述探测器包括红外热像仪、CCD照相机以及光谱辐射计；所述辐射源采用面源黑体。

所述被测物体表面与探测器表面平行。

一种测量物体发射率的方法，步骤如下：

第一步，以辐射源为基准建立探测器的系统响应函数，以t摄氏度为辐射源温度间隔，采样辐射源辐射反映到探测器上的灰度值，温度间隔t满足在[T1，T2]温度范围内有10个或10个以上采样点。

第二步，取[T1，T2]区间内的n个采样点，n>=10，用最小二乘法拟合经过n个采样点的探测器输出值，拟合出该探测器的系统响应函数为：                                               

，其中V为探测器输出值，L_f探测器本身杂散能量，α为探测器响应度，L为到达探测器表面的有效辐射量；

第三步，根据发射率推导公式分别测量辐射源改变前后辐射值及物体辐射输出值。

所述步骤三根据发射率推导公式分别测量辐射源改变前后辐射值及物体辐射输出值的方法如下：

3.1探测器接收到的有效辐射包括三个部分：目标自身辐射、目标对周围环境反射辐射和大气辐射，到达探测器表面的有效辐射量表达式如下： 

其中，L为到达探测器表面的有效辐射量，L₀为目标自身辐射量，ρ为目标反射率，L_s为环境辐射，L_p为大气辐射，大气透过率为1；

3.2将探测器系统响应函数及到达探测器表面的有效辐射量表达式进行变化推导得探测器输出值为：

其中，令

，

得探测器输出值为：

其中，V₀为只有目标的辐射作用到探测器上时，探测器输出值；V_s为单独环境辐射作用到探测器上时，探测器的输出值；

3.3改变辐射源辐射，采用步骤3.2的方法得到另一组输出，将这两组输出进行计算得到反射率为：

对于不透明物体发射率与反射率满足

本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）本发明系统安装简单，测量光路中能够引起安装误差的因素降低，测量光路稳定并且易于调整，操作方便；（2）测量过程中不需要接触被测目标，可以实现非接触测量，特别是对于未知非透明材料发射率的测量；（3）利用该系统测量物体发射率，通过调节辐射源辐射，使到达测量物体的辐射量改变，测量多次加载改变后辐射量的被测物体到达探测器的辐射值，通过相对测量，避免绝对测量造成的误差，实现了发射率的精确测量。 

附图说明

附图是本发明测量物体发射率的测量系统的系统图。

其中：1探测器，1-1红外热像仪，1-2CCD照相机，1-3光谱辐射计，2辐射源，3分光镜，3-1分光镜（红外半透反射镜，支架未画出），3-2分光镜（可见光半透半反射镜，支架未画出），3-3分光镜（全波段半透半反射镜，支架未画出），4被测物体。

具体实施方式

本发明一种测量物体发射率的系统，包括探测器1、辐射源2以及分光镜3（半透半反射镜），所述探测器1置于与被测物4及所述分光镜同一光路中；所述辐射源2提供主动辐射，与探测器、分光镜所处光路所在的直线垂直，并与分光镜处于同一直线上；所述分光镜即半透半反射镜为光路中提供转换光路及分光作用，分光镜分别与探测器探测面、辐射源表面成45度角，分光镜置于所述探测器1与所述被测物4同一光路上。

所述分光镜为半透半反射镜，所述分光镜固定在支架上，与探测器表面及辐射源表面成45度角，与被测物体及探测器处于同一直线光路上，处于被测物体与探测器中间光路；辐射源处于上述被测物体及探测器光路的垂直方向，辐射源表面入射光线与分光镜反射面成45度角，经分光镜表面反射的光线到达被测物体。光线经被测物体表面反射到达分光镜并经分光镜透射到达探测器表面。

一种测量物体发射率的方法，包括以下步骤：

a)                红外热像仪测量（探测器）是建立在黑体辐射理论基础上的定量测量，以辐射源为基准建立探测器的系统响应函数，以t摄氏度为辐射源温度间隔，采样辐射源辐射反映到探测器上的灰度值，温度间隔t在[T1，T2]温度范围内应满足包括10个或10个以上采样点。

b)                取[T1，T2]区间内的n（n>=10）个采样点，用最小二乘法拟合经过n个采样点的探测器输出值，拟合出该探测器的系统响应函数为：

.其中V为探测器输出值；L_f探测器本身杂散能量；α为探测器响应度，L为到达探测器表面的有效辐射量；

c)                根据发射率推导公式分别测量辐射源改变前后辐射值及物体辐射输出值。

在实际测量中，辐射量为某一段时间内的积分值，在被测物体表面选择多个点作为探测点进行多次测量，测得辐射源改变前后辐射值及物体辐射输出值，根据发射率推导公式计算发射率，并取其平均值；已达到测量的目的。本发明在保持较高测量精度的同时，提供了一种简单实用的测量方法。

上述发射率推导公式的计算包括以下步骤：

a)                  探测器接收到的有效辐射包括三个部分：目标自身辐射、目标对周围环境反射辐射和大气辐射，到达探测器表面的有效辐射量表达式如下： 

其中，L为到达探测器表面的有效辐射量；L₀为目标自身辐射量；ρ为目标反射率；L_s为环境辐射；L_p为大气辐射；大气透过率为1。

b)                  将所述上式探测器系统响应函数及所述上式到达探测器表面的有效辐射量表达式进行变化推导得探测器输出值为：

其中令

，

得探测器输出值为：

其中V₀为只有目标的辐射作用到探测器上时，探测器输出值；V_s为单独环境辐射作用到探测器上时，探测器的输出值。

c)                  改变辐射源辐射，采用步骤2的方法得到另一组输出

，将这两组输出进行计算得到反射率为：

对于不透明物体发射率与反射率满足

本发明对所测物体发射率波段包含有，可见光波段、远红外波段以及具体某一光谱，在测量不同波段同时需根据需要使用不同波段探测器或光谱仪以及分光镜，以下通过具体的实施例详细说明。

本发明的发射率测量方法及装置简单实用，使用该方法测物体发射率不需要接触测温，只需通过改变辐射源的辐射量，发射率测量精度高。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，本发明是一套发射率测量系统，包括探测器1，辐射源2，分光镜3和被测物体面4，所述探测器1在以下各实施例中包括红外热像仪1-1、CCD照相机1-2以及光谱辐射计1-3；所述辐射源2采用面源黑体；所述分光镜3为半透半反射镜，由支架固定，在以下各实施例中包括分光镜（红外半透半反射镜，支架未画出）3-1、分光镜（可见光半透半反射镜，支架未画出）3-2以及分光镜（全波段半透半反射镜，支架未画出）3-3；所述被测物体4表面应与探测器表面平行；

所述分光镜为半透半反射镜，所述分光镜固定在支架上，与探测器表面及辐射源表面成45度角，与被测物体及探测器处于同一直线光路上，处于被测物体与探测器中间光路；辐射源处于上述被测物体及探测器光路的垂直方向，辐射源表面入射光线与分光镜反射面成45度角，经分光镜表面反射的光线到达被测物体。光线经被测物体表面反射到达分光镜并经分光镜透射到达探测器表面。

一种测量物体发射率的系统，包括探测器1、辐射源2以及分光镜3（半透半反射镜），所述探测器1置于与被测物4及所述分光镜同一光路中；所述辐射源2提供主动辐射，与探测器、分光镜所处光路所在的直线垂直，并与分光镜处于同一直线上；所述分光镜即半透半反射镜为光路中提供转换光路及分光作用，分光镜分别与探测器探测面、辐射源表面成45度角，分光镜置于所述探测器1与所述被测物4同一光路上。

所述分光镜为半透半反射镜，所述分光镜固定在支架上，与探测器表面及辐射源表面成45度角，与被测物体及探测器处于同一直线光路上，处于被测物体与探测器中间光路；辐射源处于上述被测物体及探测器光路的垂直方向，辐射源表面入射光线与分光镜反射面成45度角，经分光镜表面反射的光线到达被测物体。光线经被测物体表面反射到达分光镜并经分光镜透射到达探测器表面。

一种测量物体发射率的方法，包括以下步骤：

d)               红外热像仪测量（探测器）是建立在黑体辐射理论基础上的定量测量，以辐射源为基准建立探测器的系统响应函数，以t摄氏度为辐射源温度间隔，采样辐射源辐射反映到探测器上的灰度值，温度间隔t在[T1，T2]温度范围内应满足包括10个或10个以上采样点。

e)                取[T1，T2]区间内的n（n>=10）个采样点，用最小二乘法拟合经过n个采样点的探测器输出值，拟合出该探测器的系统响应函数为：

.其中V为探测器输出值；L_f探测器本身杂散能量；α为探测器响应度，L为到达探测器表面的有效辐射量；

f)                 根据发射率推导公式分别测量辐射源改变前后辐射值及物体辐射输出值。

在实际测量中，辐射量为某一段时间内的积分值，在被测物体表面选择多个点作为探测点进行多次测量，测得辐射源改变前后辐射值及物体辐射输出值，根据发射率推导公式计算发射率，并取其平均值；已达到测量的目的。本发明在保持较高测量精度的同时，提供了一种简单实用的测量方法。

上述发射率推导公式的计算包括以下步骤：

d)                 探测器接收到的有效辐射包括三个部分：目标自身辐射、目标对周围环境反射辐射和大气辐射，到达探测器表面的有效辐射量表达式如下：（符号唯一性）

其中，L为到达探测器表面的有效辐射量；L₀为目标自身辐射量；ρ为目标反射率；L_s为环境辐射；L_p为大气辐射；大气透过率为1。

e)                  将所述上式探测器系统响应函数及所述上式到达探测器表面的有效辐射量表达式进行变化推导得探测器输出值为：

其中令

，

得探测器输出值为：

其中V₀为只有目标的辐射作用到探测器上时，探测器输出值；V_s为单独环境辐射作用到探测器上时，探测器的输出值。

f)                   改变辐射源辐射，采用步骤2的方法得到另一组输出

，将这两组输出进行计算得到反射率为：

对于不透明物体发射率与反射率满足

本发明的发射率测量方法及装置简单实用，使用该方法测物体发射率不需要接触测温，只需通过改变辐射源的辐射量，发射率测量精度高。

 

本发明对所测物体发射率波段包含有，可见光波段、远红外波段以及具体某一光谱，在测量不同波段同时需根据需要使用不同波段探测器或光谱仪以及分光镜，以下通过具体的实施例详细说明。

实施例。

结合图1，本发明的发射率测量系统，包括探测器1，辐射源2，分光镜3和被测物体面4，在本实施例中所述探测器1包括红外热像仪1-1，但不仅限于红外热像仪还可包括CCD照相机1-2以及光谱辐射计1-3；在本实施例中所述辐射源2采用面源黑体；所述分光镜3为半透半反射镜，由支架固定，在本实施例中为分光镜（红外半透半反射镜，支架未画出）3-1，但不仅限于红外半透半反镜还可包括分光镜（可见光半透半反射镜，支架未画出）3-2以及分光镜（全波段半透半反射镜，支架未画出）3-3；所述被测物体4表面应与探测器表面平行；

本发明一种测量物体发射率的方法及系统，具体实施方法如下：

物体置于被测位置，将辐射源的面源黑体设置为温度T1，黑体平行辐射至分光镜，所述辐射源黑体辐射的50%的辐射量被反射至物体表面，经物体表面反射，此时物体自身辐射能量与所述黑体辐射经物体表面反射的辐射能量叠加共同到达分光镜，由分光镜透射到达探测器，在此路径中受大气辐射的影响，到达探测器表面的辐射能量包括路径大气辐射，所到达探测器具体辐射能量由上述所述具体公式计算。改变辐射源面源黑体温度为T2，黑体辐射能量经分光镜反射至物体表面，经物体表面反射，并与物体自身辐射能量叠加，经由分光镜透射到达探测器表面，在此路径受到大气辐射影响，到达探测器表面辐射能量包括此路径的大气辐射能量，具体辐射能量由上述所述具体公式计算。获得两次探测器输出值，通过本发明中所述发射率推导公式进行计算。

本发明利用改变辐射源辐射的方式测量物体发射率，通过两次测量做差，将大气辐射量在公式中消除，避免直接测量测量路径上大气辐射量，提高了测量精度，同时该方式稳定性高，光路简单稳定，具有可靠的测量精度，在实际环境中实施简单可靠稳定。

Claims (6)

1.一种测量物体发射率的测量系统，其特征在于：包括探测器[1]、辐射源[2]和分光镜[3]，探测器[1]置于与被测物体[4]及分光镜[3]同一光路中，辐射源[2]提供主动辐射，与探测器[1]、分光镜[3]所处光路所在的直线垂直，并与分光镜[3]处于同一直线上；分光镜[3]分别与探测器[1]探测面、辐射源[2]表面成45度角，分光镜[3]处于被测物体[4]与探测器[1]中间光路；辐射源[2]表面入射光线与分光镜[3]反射面成45度角，经分光镜[3]表面反射的光线到达被测物体[4]，光线经被测物体[4]表面反射到达分光镜[3]并经分光镜[3]透射到达探测器[1]表面。

2.根据权利要求1所述的测量物体发射率的测量系统，其特征在于：所述分光镜[3]固定在支架上，分光镜[3]为半透半反射镜，包括红外半透半反射镜、可见光半透半反射镜和全波段半透半反射镜。

3.根据权利要求1所述的测量物体发射率的测量系统，其特征在于：所述探测器[1]包括红外热像仪[1-1]、CCD照相机[1-2]以及光谱辐射计[1-3]；所述辐射源[2]采用面源黑体。

4.根据权利要求1所述的测量物体发射率的测量系统，其特征在于：所述被测物体[4]表面与探测器[1]表面平行。

5.一种测量物体发射率的方法，其特征在于，步骤如下：

第一步，以辐射源为基准建立探测器的系统响应函数，以t摄氏度为辐射源温度间隔，采样辐射源辐射反映到探测器上的灰度值，温度间隔t满足在[T1，T2]温度范围内有10个或10个以上采样点；

第二步，取[T1，T2]区间内的n个采样点，n>=10，用最小二乘法拟合经过n个采样点的探测器输出值，拟合出该探测器的系统响应函数为： 

，其中V为探测器输出值，L_f探测器本身杂散能量，α为探测器响应度，L为到达探测器表面的有效辐射量；

第三步，根据发射率推导公式分别测量辐射源改变前后辐射值及物体辐射输出值。

6.根据权利要求5所述的测量物体发射率的方法，其特征在于，所述步骤三根据发射率推导公式分别测量辐射源改变前后辐射值及物体辐射输出值的方法如下：

3.1探测器接收到的有效辐射包括三个部分：目标自身辐射、目标对周围环境反射辐射和大气辐射，到达探测器表面的有效辐射量表达式如下： 

其中，L为到达探测器表面的有效辐射量，L₀为目标自身辐射量，ρ为目标反射率，L_s为环境辐射，L_p为大气辐射，大气透过率为1；

3.2将探测器系统响应函数及到达探测器表面的有效辐射量表达式进行变化推导得探测器输出值为：

其中，令

，

得探测器输出值为：

其中，V₀为只有目标的辐射作用到探测器上时，探测器输出值；V_s为单独环境辐射作用到探测器上时，探测器的输出值；

3.3改变辐射源辐射，采用步骤3.2的方法得到另一组输出，将这两组输出进行计算得到反射率为：

对于不透明物体发射率与反射率满足

。

Images