CN104865287A - 一种快速测量表面红外半球发射率的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速测量表面红外半球发射率的装置和方法，包括外筒、上支撑盘和下支撑盘，外筒内设有双腔主体，低速电机的输出轴与穿过双腔主体中部的细长轴连接，细长轴的上端连接有调制盘；双腔主体内对称于所述细长轴设有两个上口大、下口小的高温热腔和低温热腔，固定底座在对应高温热腔和低温热腔下口的部位分别开有孔，并在孔中分别设有热释电传感器。通过高低温热腔发射、机械调制反射、热释电效应和锁相放大等相结合的方法，消除了普通反射法自身、环境辐射的影响和不适用于高温测量的缺点，适用于野外工业等复杂环境的发射率在线快速测量。

Description

一种快速测量表面红外半球发射率的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种发射率测量技术，尤其涉及一种快速测量表面红外半球发射率的装置和方法。

背景技术

发射率的测量很多都需要在野外或是条件较为恶劣的场合完成，例如在地质勘探中，队员需要完成土壤发射率的实时测量以得到温度等重要信息，例如在卫星发射前，卫星蒙皮的热发射率需要在发射场当地完成最后的检定。红外热像仪等非接触测温中，发射率也是影响测温精度的重要因素之一。因此，发射率检测仪的便携性、快捷性、稳定性十分重要。然而，目前测量物体表面发射率的手段以稳态法居多，一般在实验室内完成，测试时间长，受限制较多。而且，物体表面发射率并不是物质的本征参数，它不仅与物质组分有关，还与其表面粗糙度、温度、考察波长等有关，难以建立完备的发射率数据库。现有的测量精度和重复性都不尽人意，特别是国防、军事、材料科学和能源领域的快速发展，迫切需要建立精确快速的发射率测量装置。

目前，基于量热法的测量装置，一般采用稳态测量，耗时长，对各种参数如温度、热容精度要求高，虽然美国NIST的脉冲加热瞬态量热装置明显提高了测量精度和速度，但其只能用于测量导体材料。基于能量法的测量装置，虽然能对材料光谱方向发射率进行精确测量，也是标定发射率的主要手段，但由于需要光源光路等精密设备，造价昂贵、构造复杂，不便于野外工业等在线测量。而一般的基于反射法的测量装置，由于材料本身辐射的影响，要求待测材料的温度远低于热腔反射壁的温度，故不适用于高温测量，同时材料和环境温度变化也会对测量精度有影响。新发展的多波长法，测量速度快，测温无上限，但还没有一种很好的算法适用于所有材料，精度也还有待提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、稳定性好、瞬态测量和高信噪比的快速测量表面红外半球发射率的装置和方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的快速测量表面红外半球发射率的装置，包括外筒，所述外筒的上端和下端分别设有上支撑盘和下支撑盘，所述外筒与上支撑盘和下支撑盘围成的空间内设有双腔主体，所述双腔主体的上端固定在所述上支撑盘上，所述双腔主体的下端镶嵌有固定底座；

所述下支撑盘的下部固定有电机固定筒，所述电机固定筒内固定有低速电机，所述低速电机的输出轴通过联轴器与穿过所述双腔主体中部的细长轴连接，所述细长轴的上端连接有调制盘；

所述双腔主体内对称于所述细长轴设有两个上口大、下口小的热腔，分别为高温热腔和低温热腔，两个热腔的外壁分别缠绕有加热电阻丝，所述加热电阻丝连接有温控开关，所述高温热腔和低温热腔的外侧壁分别设有热电偶，所述固定底座在对应所述高温热腔和低温热腔下口的部位分别开有孔，并在所述孔中分别设有热释电传感器；

所述外筒的上端设有试样，所述调制盘在转动过程中依次将所述高温热腔和低温热腔的上口部分或全部盖住。

本发明的上述的快速测量表面红外半球发射率的装置实现快速测量发射率的方法，包括以下步骤：

控温过程：对两个热腔分别预热至设定温度；

校准过程：对标准试样的表面发射率进行测量，使得显示器读数与其对应的标准值相等；

测量过程：待测试样的表面正对热腔上口，设定延时后显示器上读出其发射率值。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的快速测量表面红外半球发射率的装置和方法，通过高低温热腔发射、机械调制反射、热释电效应和锁相放大等相结合的方法，消除了普通反射法自身、环境辐射的影响和不适用于高温测量的缺点，具有结构简单、稳定性好、瞬态测量和高信噪比等优点，适用于野外工业等复杂环境的发射率在线快速测量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的快速测量表面红外半球发射率的装置的结构框图；结构示意图。

图2为本发明实施例提供的快速测量表面红外半球发射率的装置的结构示意图；

图3本发明实施例中双热腔法测发射率的原理示意图。

图中：

1、外筒，2、低温热腔，3、细长轴，4、放置热电偶的孔，5、固定底座，6、热释电传感器，7、下支撑盘，8、绝热材料，9、试样，10、上支撑盘，11、调制盘，12、高温热腔，13、放置热电偶的孔，14、热释电传感器，15、联轴器，16、电机固定筒，17、低速电机。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的快速测量表面红外半球发射率的装置，其较佳的具体实施方式是：

包括外筒，所述外筒的上端和下端分别设有上支撑盘和下支撑盘，所述外筒与上支撑盘和下支撑盘围成的空间内设有双腔主体，所述双腔主体的上端固定在所述上支撑盘上，所述双腔主体的下端镶嵌有固定底座；

所述下支撑盘的下部固定有电机固定筒，所述电机固定筒内固定有低速电机，所述低速电机的输出轴通过联轴器与穿过所述双腔主体中部的细长轴连接，所述细长轴的上端连接有调制盘；

所述双腔主体内对称于所述细长轴设有两个上口大、下口小的热腔，分别为高温热腔和低温热腔，两个热腔的外壁分别缠绕有加热电阻丝，所述加热电阻丝连接有温控开关，所述高温热腔和低温热腔的外侧壁分别设有热电偶，所述固定底座在对应所述高温热腔和低温热腔下口的部位分别开有孔，并在所述孔中分别设有热释电传感器；

所述外筒的上端设有试样，所述调制盘在转动过程中依次将所述高温热腔和低温热腔的上口部分或全部盖住。

所述热释电传感器与锁相放大模块连接，所述锁相放大模块与数据处理及显示模块连接。

所述锁相放大模块包括前置放大电路、二阶低通滤波电路、移相电路、锁相相乘电路和四阶低通滤波电路。

所述的数据处理和显示模块包括A/D转换器、微机、LED显示屏。

所述的调制盘为半圆形薄片，所述的调制盘距所述试样下表面和所述热腔上口的距离分别为0.5cm，所述的调制盘面向速搜狐热腔上口的一面设有蒸金镀膜。

所述高温热腔和低温热腔均为倒锥形腔体，上开口直径25cm，下开口直径8.5cm，高度60cm，内壁涂黑涂层，两个热腔之间设有绝热材料。

所述的温控开关温控精度为0.1℃；

所述的低速电机转速为80rpm；

所述蒸金镀膜的反射率不低于0.95；

所述黑涂层发射率不低于0.9；

所述高温热腔的温度高于低温热腔30℃；

所述的热释电传感器的响应时间为微秒级。

本发明的上述的快速测量表面红外半球发射率的装置实现快速测量发射率的方法，其较佳的具体实施方式是：

包括以下步骤：

控温过程：对两个热腔分别预热至设定温度；

校准过程：对标准试样的表面发射率进行测量，使得显示器读数与其对应的标准值相等；

测量过程：待测试样的表面正对热腔上口，设定延时后显示器上读出其发射率值。

本发明可快速测量材料发射率，适用于野外工业等复杂环境的在线测量，其测量原理是：

如图3所述，试样s待测表面朝向两温度不同的热腔h1和h2开口处，之间存在做周期性圆周运动的调制盘C，其面朝热腔一的面为高反射率的蒸金镀层，在两热腔最底部各有一个热释电感受件。由于热腔温度一高一低且内表面为高发射率的涂黑层，调制盘的反射率高于试样表面，在调制盘转动到完全覆盖热腔h1和h2时，热释电感受的信号大小存在两个极值点，幅值与试样s反射率相关，根据灰体假设即ε_s＝α_s，且不透明(τ_s＝0)，由ρ_s+τ_s+α_s＝1得ε_s＝1-ρ_s。根据黑体辐射理论，可以计算出如下表达式：

$V_s={\mathrm{\τ}}_a{F}_{\mathrm{sa}}({\mathrm{\ϵ}}_s+{\mathrm{\ρ}}_c-1)(Q_1-Q_2)={\mathrm{\τ}}_a{F}_{\mathrm{sa}}{A}_h{F}_{\mathrm{hs}}\mathrm{\σ}({\mathrm{\ϵ}}_s+{\mathrm{\ρ}}_c-1)(T_{h1}^4-T_{h2}^4)$

式中s表示试样，a表示热释电，c表示调制盘反发射面，h1和h2表示两个热腔，τ_a为空气透过率，A_h为单个热腔的面积，σ为斯蒂芬玻耳兹曼常数，ε_s为待测试样表面发射率，ρ_c为调制盘蒸金面的发射率，T_h1、T_h2分别为高温和低温热腔的温度，F_sa、F_hs为一侧的试样和热腔对热释电的视角系数。当假定空气透过率以及蒸金面反射率均为1，其余皆为已定或设定值，则有V_s＝kε_s，用标准发射率的试样对装置进行标定校准即可得到待测表面的发射率。

本发明的有益效果是：

(1)采用机械调制和锁相放大的方法，提高了信噪比，保证了测量准确度，同时机械调制无需光源光路调制所需装置那么复杂，易于实现，结构简便；

(2)相比于传统的单热腔法，双热腔的两个热释电传感器互相串联，在信号调制过程中就消除了环境温度和自身辐射的影响，并且双元热释电本身有很强的抗干扰性能(热传导引起的温漂)，因此装置的稳定性良好；

(3)利用热释电效益感受温度变化，无需达到热平衡就可以实现快速测量，应对野外便携测量的要求；

具体实施例：

图1为本发明的结构框图，包括温度控制模块、机械调制模块、双腔主体、传感器模块、锁相放大模块、数据处理及显示模块。

双腔主体为装置的核心所在，具体如图2所示，温度控制模块用于对两热腔2、12加热并维持温度恒定，温控精度为0.1℃，控温误差为0.5℃，加热丝缠绕在热腔外表面，热电偶埋入热腔开孔4、13内。装置实测前需首先开启温控模块，对热腔进行预热，使低温热腔略高于环境温度，高温热腔高于低温热腔30℃。机械调制模块是为了给传感器提供一个调制辐射，类似光源调制的方法，不过光源调制信号只与其自身辐射相关，而机械调制引入了环境辐射的干扰，不过有双热腔的存在，这个干扰会在计算幅值时相消掉，其他干扰也会在随后的锁相放大器滤掉，得到一个比较高信噪比与发射率相关的电压信号输出到数据处理及显示模块中。

机械调制主要由低速电机17通过联轴器15和细长轴3带动半圆形调制盘11周期性转动，调制盘面对热腔开口一面镀上蒸金，几乎为1的反射率几乎全部反射热腔的热辐射，同时由于是半圆形的结构，存在两个临界状态：调制盘全部覆盖住高温热腔和全部覆盖住低温热腔，并且有一定停留时间。自然，未被调制盘覆盖的热腔开口是被待测材料覆盖，只会反射一部分热辐射。因为热释电传感器产生的信号大小与吸收的辐射大小正相关，可以推测，传感器产生的信号为一个类似梯形波的交变信号，其幅值与待测发射率正相关，其频率等于机械调制频率，确定该频率后即可对传感器信号锁频放大，而一般噪声为高频干扰，选用的低速电机为80rpm，也就是信号频率为80Hz，能有效过滤掉高频干扰而对有效信号无失真，具有较高的信噪比。

双腔主体包括外筒1，上下支撑盘7、10，高低温热腔2、12，固定底座5，高低温热腔2、12置于外筒1、上下支撑盘7、10构成的空间内，固定底座嵌在所述的高低温热腔2、12下底，高低温热腔大小材料一致，倒锥形内开孔，孔内壁均涂黑(涂层发射率不低于0.9)，而且，为防止两热腔之间传热影响温控，在之间放置绝热材料8如保温棉减小热传导。双热腔的尺寸设计对信号输出大小很重要，具体表现在视角系数上：

$F_{\mathrm{sa}}\≈\frac{A_a}{A_s}{\∫}_{A_s}\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_a\cos {\mathrm{\θ}}_s}{\mathrm{\π}{L}^2}d{A}_s=\frac{A_a}{A_s}2H^2{\∫}_0^R\frac{\mathrm{rdr}}{{(r^2+H^2)}^2}=\frac{A_a}{A_s}\frac{R^2}{R^2+H^2}$

$F_{\mathrm{hs}}=\frac{A_s}{A_h}(1-F_{\mathrm{sa}})\≈\frac{A_s}{A_h}$

带入Vs的表达式中，得到简化后的结果：

$V_s\≈\mathrm{\σ}{A}_a\left(\frac{R^2}{R^2+H^2}\right)(T_{h1}^4-T_{h2}^4){\mathrm{\ϵ}}_s$

可以知道增大热腔上开口面积或者减小其高度都可以增加信号输出。同时，热腔的高低温差设置对结果也有很大影响。

传感器模块采用热释电传感器，它只响应于温度变化，可以实现瞬态测量，并且时间常数为微秒级，具有宽而平的光谱响应，无需制冷、高信噪比。选用的双元热释电在一个传感器中有两个反相串联的敏感元，当入射能量顺序的射到两个元件上时，其输出比单敏感元件高一倍，对于同时输入的能量如环境热传导会互相抵消，减小温漂。

锁相放大器模块包括前置放大、二阶低通滤波、移相电路、锁相相乘和四阶低通滤波电路，由于调制频率的固定，应用锁相放大就可以选频放大，信噪比高于一般的放大器。数据处理和显示模块包括A/D转换器、微机、LED显示屏，主要对校准数据及显示测量结果。实施的具体步骤有：

(1)控温过程，对热腔预热至设定温度；

(2)校准过程，采用标准试样对显示器发射率读数进行校准；

(3)测量过程，待测表面正对热腔口，一定延时后读出其发射率值。

由以上实施例可以看出，本发明实施例通过高低温热腔发射、机械调制反射、热释电效应和锁相放大等相结合的方法，消除了普通反射法自身、环境辐射的影响和不适用于高温测量的缺点，具有结构简单、稳定性好、瞬态测量和高信噪比等优点，适用于野外工业等复杂环境的发射率在线快速测量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种快速测量表面红外半球发射率的装置，其特征在于，包括外筒，所述外筒的上端和下端分别设有上支撑盘和下支撑盘，所述外筒与上支撑盘和下支撑盘围成的空间内设有双腔主体，所述双腔主体的上端固定在所述上支撑盘上，所述双腔主体的下端镶嵌有固定底座；

所述下支撑盘的下部固定有电机固定筒，所述电机固定筒内固定有低速电机，所述低速电机的输出轴通过联轴器与穿过所述双腔主体中部的细长轴连接，所述细长轴的上端连接有调制盘；

所述双腔主体内对称于所述细长轴设有两个上口大、下口小的热腔，分别为高温热腔和低温热腔，两个热腔的外壁分别缠绕有加热电阻丝，所述加热电阻丝连接有温控开关，所述高温热腔和低温热腔的外侧壁分别设有热电偶，所述固定底座在对应所述高温热腔和低温热腔下口的部位分别开有孔，并在所述孔中分别设有热释电传感器；

所述外筒的上端设有试样，所述调制盘在转动过程中依次将所述高温热腔和低温热腔的上口部分或全部盖住。

2.根据权利要求1所述的快速测量表面红外半球发射率的装置，其特征在于，所述热释电传感器与锁相放大模块连接，所述锁相放大模块与数据处理及显示模块连接。

3.根据权利要求2所述的快速测量表面红外半球发射率的装置，其特征在于，所述锁相放大模块包括前置放大电路、二阶低通滤波电路、移相电路、锁相相乘电路和四阶低通滤波电路。

4.根据权利要求3所述的快速测量表面红外半球发射率的装置，其特征在于，所述的数据处理和显示模块包括A/D转换器、微机、LED显示屏。

5.根据权利要求4所述的快速测量表面红外半球发射率的装置，其特征在于，所述的调制盘为半圆形薄片，所述的调制盘距所述试样下表面和所述热腔上口的距离分别为0.5cm，所述的调制盘面向速搜狐热腔上口的一面设有蒸金镀膜。

6.根据权利要求5所述的快速测量表面红外半球发射率的装置，其特征在于，所述高温热腔和低温热腔均为倒锥形腔体，上开口直径25cm，下开口直径8.5cm，高度60cm，内壁涂黑涂层，两个热腔之间设有绝热材料。

7.根据权利要求6所述的快速测量表面红外半球发射率的装置，其特征在于，

所述的温控开关温控精度为0.1℃；

所述的低速电机转速为80rpm；

所述蒸金镀膜的反射率不低于0.95；

所述黑涂层发射率不低于0.9；

所述高温热腔的温度高于低温热腔30℃；

所述的热释电传感器的响应时间为微秒级。

8.一种权利要求1至7任一项所述的快速测量表面红外半球发射率的装置实现快速测量发射率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

控温过程：对两个热腔分别预热至设定温度；

校准过程：对标准试样的表面发射率进行测量，使得显示器读数与其对应的标准值相等；

测量过程：待测试样的表面正对热腔上口，设定延时后显示器上读出其发射率值。