CN103675019A

CN103675019A - 一种红外热像仪快速测量材料表面发射率的方法

Info

Publication number: CN103675019A
Application number: CN201310669324.XA
Authority: CN
Inventors: 翟玉卫; 梁法国; 郑世棋; 乔玉娥; 刘霞美
Original assignee: CETC 13 Research Institute
Current assignee: CETC 13 Research Institute
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2033-12-11
Also published as: CN103675019B

Abstract

本发明公开了一种红外热像仪快速测量材料表面发射率的方法，涉及红外热成像温度测量技术领域，包括红外热像仪、黑盒及加热平台，其测试步骤如下：1）获取红外热像仪对环境温度下黑盒的响应；在保持环境温度不变的情况下，该过程只进行一次就足够，其数据将存入计算机以备调用。2）将被测物加热到一个比较高的温度一般大于等于70℃，获取红外热像仪对于被测物的响应；3）依据公式进行运算既可以得到准确的发射率测量结果。该测量方法对于红外热像仪，仅需对红外热像仪增加一个辅助装置，能够快速测量复杂材料表面的发射率，提高红外热像仪发射率检测速度及检测效率，同时保证检测结果的准确可靠，扩大红外热像仪的使用范围。

Description

一种红外热像仪快速测量材料表面发射率的方法

技术领域

本发明涉及红外热成像温度测量技术领域。

背景技术

红外热像仪作为一种无损、非接触的测温装置，广泛应用于电力电子、建筑、钢铁、微电子等领域。红外热像仪的基本物理原理是普朗克黑体辐射定律，该定律揭示了理想黑体辐射与温度及波长之间的关系。但是，现实中的物体都不是黑体，要采用红外手段测量非黑体的温度就必须首先获得被测物体表面的发射率，这是红外准确测温的关键前提。发射率测量不准确，最终的红外温度测量结果也必然受到影响。

理论上发射率的测量较为简单，根据公式可知只需在已知温度下获取辐射量即可得到被测表面的发射率。但是，实际的红外测温装置都是处在一定的环境条件下的，环境条件中的红外辐射不可避免的会入射到被测表面，由于被测表面都不是黑体，所以必然存在着对于环境辐射的反射。所以对于红外热像仪总的入射量，表示为公式，

Figure 201310669324X100002DEST_PATH_IMAGE001

φ为红外热像仪接收到的总光子通量，ε为被测物体发射率，Q为一定温度和波长下的黑体光子发射量；T_S为被测物体温度，r为被测物体反射率，T_a为环境温度，Q_f为热像仪内部的杂散辐射，τ为大气本身的发射率。由于大气的发射率等于吸收率，在忽略大气吸收的情况下τ=0。

此时，就不能采用理想的方法进行发射率计算。对于红外热像仪，由于其采用的探测器为面阵式，需要一次获取一个区域不同位置的发射率值，因此，其发射率测量方法就更为复杂。

目前，为了消除环境辐射的干扰，可以采取如下三种方法进行发射率的测量：

1、双参考体法

这种方法是用一个黑体和一个高反射率的漫射板作参考体。让被测试件保持与黑体温度相同,漫射板温度等于背景温度。分别用热像仪测量试件、黑体和漫射板的辐射能,由下式

Figure 201310669324X100002DEST_PATH_IMAGE003

式中：f_S、f_BB,、f_R分别为热像仪测量的试件、黑体和漫射板输出的信号,T_r、T_o和T_u为热像仪测量的试件、黑体和背景的温度。

2、双温度法

这种方法仅需一个已知发射率的参考体。被测试件和参考体保持相同的温度,在两个不同的温度T₁和T₂时,同时用热像仪测量它们的辐射能。实现这一方法有许多途径,最简单的一种是在试件上涂一小块已知发射率的涂料。在温度为T₂时,用热像仪测量试件和涂料的辐射量,热像仪输出的信号分别为f_S(T₂)和f_R(T₂),对应的辐射温度分别为T_S2和Tr2。在温度为T_l时,用热像仪测量试件和涂料的辐射量,热像仪输出的信号分别为f_S(T₁)和f_R(T₁),对应的辐射温度分别为T_s1和T_r1。

其中ε_R为参考体(涂料)的发射率。

3、双环境温度法

在某些测量条件下,当不能改变被测体的温度时,可采用双背景方法。这种方法是在两种不同背景温度下进行的,试件和参考体在两次测量中保持温度不变。当τ_α=1时,由下式可得

Figure 201310669324X100002DEST_PATH_IMAGE005

其中，ε_R为参考体表面发射率(已知),T_S1、T_R1和T_S2、T_R2分别为在第一种背景条件下热像仪测量的试件、参考体表面辐射温度和在第二种背景条件。

现有红外热像仪发射率测量方法的优点有：

1）原理简单，容易理解；

2）方法2应用范围较广，普及度高。

其缺点主要体现在：

1）操作繁复，效率低。方法1需要中测定发射率需要分别对黑体、漫反射体和被测表面各进行一次测量；方法2需要在至少两个不同的温度下对北侧表面进行测量，这里涉及到加热装置升温和恒温的时间，耗时也较长。方法3则需要变换环境的温度，环境温度的变化和稳定耗时更长，这对于工业生产方面的应用来讲是很难接受的；

2）可操作性较差。上述三种发射率测量方法虽然原理简单，很容易理解。但是，真实的红外热像仪却极少有采用方法1和方法3进行发射率计算的。这主要是因为上述两种方法可操作性较差，尤其是对于工业生产领域无论是在操作简便性方面还是时间效率方面都是不可接受的。因此上述方法多用于实验室研究，极少出现在成品热像仪上。

总之，对于前述的三种发射率测量方法而言，方法2无疑是应用最为广泛的。但是，其效率仍然较低，不能满足工业生产领域对于产品进行检测的需求。

经过检索，申请号为201310047855.5的一种基于红外测温仪的材料发射率测量方法，该测量方法是针对于均匀材料某一点位的发射率测量方法，该方法受限于采用的结构复杂、步骤繁琐，都不适用于工业生产领域对于发射率测量的需求，且该方法仅是一种点测量方法，不能用于红外热像仪的面元式红外测温的需求。申请号为201010529042.6和201010562419.8的两个专利中均为材料表面的发射率测量方法及装置，其中给出的方法和装置都是基于复杂的、特有的结构，不能满足复杂被测表面生产条件下温度检测的需求，通用性差，基本不可能应用于红外热成像测温领域，其测量过程复杂、繁琐，更无法满足工业生产领域对于快速温度检测的需求。

上述三个专利中的方法都无法满足红外热像仪发射率测量的需要，更无法进行复杂材料表面发射率的一次性准确测量，因此，可以说截止到目前为止，尚无适用于红外热像仪的测量复杂材料表面发射率的方法或装置见诸报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种红外热像仪快速测量材料表面发射率的方法，该测量方法对于红外热像仪，能够快速测量复杂材料表面的发射率，提高红外热像仪发射率检测速度及检测效率，同时保证检测结果的准确可靠，扩大红外热像仪的使用范围。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：1、一种用于红外热像仪的快速测量材料表面发射率的方法，其特征在于利用红外热像仪和加热平台进行测量，并设有一个黑盒，所述黑盒为表面留有一个圆孔的封闭箱体，黑盒上的圆孔与红外热像仪的镜头尺寸匹配，其测试步骤如下：

1）保持环境温度T _a不变，把红外热像仪的镜头由黑盒的圆孔深入黑盒内，利用红外摄像仪获取黑盒的总光子通量响应值φ _a，作为标定值进行存储；

2）利用加热平台对被测物进行加热至T _s；

3）把红外热像仪的镜头上黑盒取下，利用红外热像仪测量被测物体表面的总光子通量响应值φ；

4）计算被测物体在温度T _s下的表面发射率为ε=φ-φ _a，完成物体表面发射率的快速测量。

对上述方法做作一步补充，在步骤2中，温度T _s大于等于70℃。

对上述方法做作一步补充，所述黑盒由金属材质加工而成的、内壁涂有黑色涂料的箱体。本发明中的黑盒的作用是模拟黑体，做成盒体结构主要是为了更加有效的屏蔽环境背景辐射的影响。由于采用金属结构，该黑盒可以较快的稳定在环境温度。

对上述方法做作一步补充，所述的红外热像仪型号为H2640/H2640D。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

1）本发明中的测试方法中，步骤1测试的为环境温度下的标定值，在保证环境温度不变的前提下，仅需测量一次即可，后续的多个被测物体表面发射率测量过程直接从步骤2开始即可，这样仅需在一个温度点下进行发射率修正就可以实现准确的发射率及温度计算，这极大的提高了红外检测的速度，且该方法简便易行，并且该方法是针对红外热像仪使用，保证检测准确度的基础上大大提高了检测速度，且采用校准值代替理论黑体辐射计算值，更能满足红外测温仪器的工程应用；

2）本发明采用黑盒结构配合独有的数据处理方法，弥补了上述三种发射率测量方法测量速度慢、测量装置结构复杂等缺点。黑盒结构相当于给发射率测量提供了一个稳定的参考辐射量，避免了传统方法中需要变换被测物体温度或者环境温度或者增加复杂的结构和操作，缩短了测试时间，适用于工业领域的检测需要；

3）本发明的检测方法是针对于红外热像仪，能够快速测量复杂材料表面的发射率。该方法仅需对红外热像仪增加一个辅助装置，再利用本发明提出的算法对测量数据进行处理，即可以快速的实现复杂材料表面发射率的快速准确测量，可以极大的提高红外热像仪的测温准确度和应用领域。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的结构示意图；

其中：1、红外热像仪，2、镜头，3、黑盒，4、被测物体，5、加热平台。

具体实施方式

本发明提出了一种适用于各种红外热像仪的复杂材料表面发射率快速测量方法，该方法只需给红外热像仪增加一个辅助的黑盒结构，再采用本发明提出的测试方法，即可对由多种材料组成的复杂材料表面，快速进行发射率的测量计算。

该方法由硬件和软件算法两部分构成。其硬件部分是：在红外热像仪1的镜头2外增加了一个黑盒3的结构，其作用是构成一个黑体，使得镜头2接收到的辐射全部来自于该结构；算法实现，将热像仪对黑盒3的响应与红外热像仪1对被测表面的响应以及红外热像仪1对标准黑体的响应进行运算，得到被测表面的发射率分布数据。

该算法的证明如下：

在忽略大气衰减的情况下，如果将等于环境温度T _a的黑体辐射和红外热像仪内部杂散辐射作为一个固定量从接收到的总辐射量中减去。此时，有效信号如下：

环境温度T _a的黑体辐射：

升温至T _s下的被测物体表面辐射：

Figure 201310669324X100002DEST_PATH_IMAGE007

将上面两式代入背景技术中的双温度法中的公式，得到

可见上式与双环境温度法中的公式是等效的，即本发明中测量得到的发射率计算方法与参考文献中是一致的，可以作为材料表面发射率获取手段。并且也证明采用背景辐射修正的方法在单温度下发射率计算是可行的，并且该方法实现了快速的高准确度发射率计算。

在此步骤后进行未知温度T _X的计算，此时根据(7)有

Figure 201310669324X100002DEST_PATH_IMAGE009

Q _f是热像仪内部固有的系统误差，可以通过校准进行修正，此时，可认为

是已知量，此时便可以解出T _x。此时，仅需在一个温度点下进行发射率修正就可以实现准确的发射率及温度计算。这极大的提高了红外检测的速度，且该方法简便易行。

注意：此时的Q由校准得到，而非纯理论计算值。所有的红外热像仪都是通过校准，建立起各自的校准曲线或者图标，从而建立起发射率、温度、辐射量三者之间的关系，在其中两个已知后，算法就会找到唯一对应的第三个量的解。

本发明中所述的方法专门针对红外热像仪进行设计，相对于红外点温计或者其它发射率测量装置，本方法所用的红外热像仪（H2640/H2640D）有着其独有的特点：

1）红外热像仪属于热成像测温，它采用面阵式探测器由多个独立的探测器以阵列的形式组成，类似于照相机的CCD结构。在测量过程中，每个独立探测器都相当于一个点温计，都要获取其准确的发射率，因此如果采用传统的点温计的发射率获取方法将耗时巨大，而且技术上也是不可行的；

2）红外热像仪的最终测量结果是被测物体的温度分布图像，这与一般单纯获取发射率的装置是有本质区别的。也就是说红外热像仪获取发射率的最终目的是进行温度测量；

3）在应用红外热像仪的场合被测物的表面可能由多种材料构成，结构比较复杂。以半导体器件为例，器件的表面尺寸很小只有几个厘米甚至毫米，且由多种材料构成，包括金属、半导体、合金，各种材料的分布情况比较复杂。在对这些表面发射率进行测量时，就无法采用上述三种参考文献中的方法。

正是由于红外热像仪的独有特点，传统的发射率测量方法无法满足其需要。采用该方法在保证检测准确度的基础上大大提高了检测速度，且采用校准值代替理论黑体辐射计算值，更能满足红外测温仪器的使用。

本发明在工程应用过程中，在相同的实验室条件下，保持环境温度的稳定。采用相同的红外热像仪，以背景技术中方法2为例，采用进口200W水冷加热平台，平台温度从20℃升高至70℃并到达稳定需要耗时2分钟或者更长；而采用本发明提出的方法，在同等条件下，仅需在升温前测量环境温度下，黑盒内的发射率，燃烧一次升温至所需温度，避免了多个被测物体测量的重复升温，将节约升温过程耗费的时间，极大的提高了检测效率。

Claims

1.一种红外热像仪快速测量材料表面发射率的方法，其特征在于利用红外热像仪和加热平台进行测量，并设有一个黑盒，所述黑盒为表面留有一个圆孔的封闭箱体，黑盒上的圆孔与红外热像仪的镜头尺寸匹配，其测试步骤如下：

2）利用加热平台对被测物进行加热至T _s；

2.根据权利要求１所述的一种红外热像仪快速测量材料表面发射率的方法，其特征在于在步骤2中，温度T _s大于等于70℃。

3.根据权利要求１所述的一种红外热像仪快速测量材料表面发射率的方法，其特征在于所述黑盒由金属材质加工而成的、内壁涂有黑色涂料的箱体。

4.根据权利要求１所述的一种红外热像仪快速测量材料表面发射率的方法，其特征在于所述的红外热像仪型号为H2640/H2640D。