CN105004754A - 一种发射率的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发射率的测量方法，先建立优化的发射率测量模型，再使用优化的发射率测量模型测量待测物体的发射率。建立优化的发射率测量模型具体包括以下步骤：建立初始发射率测量模型，选择与待测物体同种材料的物体作实验物体，设定发射率估计值ε′_o并计算实验物体的设定温度T″_obj；将实验物体放入黑体炉，将黑体炉的温度设定为T″_obj，读取稳定后测定黑体炉内的实验物体温度T_obj以及黑体炉外的环境温度T_sur；利用红外热像仪捕获实验物体的热辐射i_tot；将i_tot、T_obj及T_sur带入发射率测量模型，求得实验物体的发射率ε_o，比较ε_o与ε′_o，如果ε₀＞ε′_o，优化结束；如果ε_o＜ε′_o，重新设定ε′_o，再次优化，直至ε₀＞ε′_o时优化结束。该方法简单快捷，优化好的发射率测量模型用于测量物体的发射率，测量结果准确。

Description

一种发射率的测量方法

技术领域

本发明属于辐射测温技术领域，具体涉及一种发射率的测量方法。

背景技术

各种物质表面的发射率(也称辐射率、黑度系数等)是表征物质表面辐射本领的物理量，是一项重要的热物性参数。在很多重要的科学技术领域都具有重要的意义。

物体发射率是利用红外辐射进行非接触温度测量的关键参数，没有准确的物体发射率，就不可能利用红外热像仪获得真实可靠的测量结果。物体的发射率很难事先通过实验的方法获得。根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律：任何温度高于绝对零度的物体都会向周围空间发射红外辐射，即周围环境的辐射干扰不可避免地影响测量结果，这就构成了红外热成像技术所固有的复杂性。红外热像仪实际上测量的并不是物体的真实温度，而是辐射温度。辐射温度虽然经过了大气传输因子等的修正，但它与物体表面的真实温度之间仍存在一定的差异。只有知道物体的发射率，才能求出物体的真实温度。

近年来，由于军事技术、国防技术、材料技术及能源技术的快速发展，对发射率的测量越来越提出了更高的要求。材料发射率测量技术已经有很久的历史，国内外很多研究者都已投身到这项研究工作中来，已取得了一些有效的进展。例如现有的双参考体法、双温度法、双背景法，这三种高精度测量发射率的方法均能有效地消除影响发射率的测量误差，包括由测量目标真实温度和背景温度的误差导致的误差，对于一种给定材料用这三种方法测量出的发射率误差均在±0.02左右。但从整体上说，这些测试方法的测量精度仍然不能满足精确测温的场合下对物体发射率的要求，由这些方法得到的发射率计算出的物体的真实温度也会有一定的误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种发射率的测量方法，该方法能将测量出的发射率精度控制在需要的精度内，解决了现有发射率测量方法不能满足对物体发射率的测量精确度要求的问题。

本发明采用的技术方案是，一种发射率的测量方法，包括以下步骤：

步骤一，建立优化的发射率测量模型。

步骤二，使用优化的发射率测量模型测量待测物体的发射率。

其中，步骤一具体按照以下子步骤实施：

步骤1，建立初始发射率测量模型。

以黑体作为参考，确定红外热像仪的标定曲线

$I_b\left(T\right)=\frac{A}{e^{B/T}-F}---\left(1\right)$

式中A、B、F是标定常数，A是探测器的响应因子，B是光谱因子，F是探测器的形状因子，T是黑体的绝对温度，e为发射率测量模型的目标精度。

根据红外物理的辐射定律及式(1)得到初始发射率测量模型为

${\mathrm{\ϵ}}_o=\frac{i_{tot}-I_{sur}}{I_{obj}-I_{sur}}---\left(4\right)$

式中，ε_o是物体的发射率，红外探测器接收到的热辐射i_tot，I_obj为物体的绝对温度下物体本身的红外辐射，I_sur为环境的绝对温度下物体对环境的反射辐射。

步骤2，选择与待测物体同种材料的物体作实验物体，查找材料发射率手册中实验物体的发射率值，将其设定为实验物体的发射率估计值ε′_o。

步骤3，由发射率估计值ε′_o计算实验物体的设定温度T″_obj。

步骤4，将实验物体放入黑体炉，同时将黑体炉的温度设定为T″_obj；当黑体炉的温度稳定后，用热电偶或精密温度计读取此时测定黑体炉内的实验物体温度T_obj以及黑体炉外的环境温度T_sur；迅速打开黑体炉的箱盖，利用红外热像仪捕获实验物体的热像，得到实验物体的热辐射i_tot。

步骤5，将实验物体热辐射i_tot、实验物体温度T_obj以及环境温度T_sur带入式(4)，求得实验物体的发射率ε_o。

步骤6，比较实验物体的发射率ε_o与发射率估计值ε′_o，如果ε₀＞ε′_o，则优化结束；如果ε_o＜ε′_o，则重新设定发射率估计值ε′_o，再次执行步骤2-步骤5，直至ε₀＞ε′_o时优化结束，得到优化的发射率测量模型。

本发明还具有以下特点：

1、步骤1建立初始发射率测量模型的具体方法为：

以黑体作为参考，确定红外热像仪的标定曲线

$I_b\left(T\right)=\frac{A}{e^{B/T}-F}---\left(1\right)$

红外探测器接收到的热辐射表示为

i_tot＝i_obj+i_sur+i_atm+i_img

＝τ_o·ε_o·I_b(T_obj)+τ_o·(1-ε_o)·ε_a·I_b(T_sur)+(1-τ_o)·I_b(T_atm)+i_img  (2)

式中，i_obj为物体本身的红外辐射，i_sur为物体对环境的反射辐射，i_atm为大气的透射辐射，i_img为扫描器内部的热辐射，ε_o是物体的发射率、ε_a是环境的发射率,τ₀为大气透射率，T_obj、T_sur和T_atm分别为物体的绝对温度、环境的绝对温度和大气的绝对温度，当用于低温物体的温度测量时，从i_tot中扣除大气、环境和扫描器等的热辐射，由于在仪器内部补偿了扫描器的热辐射i_img，所以式(2)中可以略去i_img项。在均匀环境辐射条件下，物体辐射可以等效为ε_a＝1、温度为T_sur的黑体辐射，由式(1)可得I_obj＝I_b(T_obj)，I_sur＝I_b(T_sur)。将ε_o作为待求参数，由式(2)可得

${\mathrm{\ϵ}}_o=\frac{i_{tot}-{\mathrm{\τ}}_o\·I_{sur}-(1-{\mathrm{\τ}}_o)\·I_{atm}}{{\mathrm{\τ}}_o\·(I_{obj}-I_{sur})}---\left(3\right)$

当红外热像仪的工作距离d≤1.0m时，τ_o十分接近1，则可忽略i_atm，于是物体的发射率测量模型为

${\mathrm{\ϵ}}_o=\frac{i_{tot}-I_{sur}}{I_{obj}-I_{sur}}---\left(4\right)$

2、步骤2中发射率估计值ε′_o也可以设定为0.05。

3、步骤3中由发射率估计值ε′_o计算实验物体的设定温度T″_obj，具体包括以下子步骤：

步骤3-1，根据红外热像仪的标定曲线式(1)得到

$I_{obj}=\frac{A}{e^{B/T_{obj}}-F}---\left(5\right)$

$I_{sur}=\frac{A}{e^{B/T_{sur}}-F}---\left(6\right)$

由于发射率的计算要控制在目标精度范围内，即则

$\frac{\left|{\mathrm{\ϵ}}_o-{{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}_o\right|}{{\mathrm{\ϵ}}_o}=\frac{\left|\frac{i_{tot}-I_{sur}}{I_{obj}-I_{sur}}-\frac{{i^{\′}}_{tot}-I_{sur}}{I_{obj}-I_{sur}}\right|}{\frac{i_{tot}-I_{sur}}{I_{obj}-I_{sur}}}=\frac{\left|i_{tot}-{i^{\′}}_{tot}\right|}{i_{tot}-I_{sur}}=\frac{\left|\±C\right|}{i_{tot}-I_{sur}}\≤e---\left(7\right)$

由式(4)和(7)可以求得

$I_{obj}\≥\frac{C}{{\mathrm{\ϵ}}_o\·e}+I_{sur}---\left(8\right)$

根据式(5)、式(6)和式(8)得到，在标定环境下，实验物体的温度

$T_{obj}^{\′}=\frac{B}{ln(\frac{A}{I_{obj}}+F)}\≥\frac{B}{ln(\frac{A}{C/{{\mathrm{\ϵ}}_o}^{\′}/e+I_{sur}}+F)}---\left(9\right)$

步骤3-2，考虑到环境温度的波动，则取物体的设定温度

$T_{obj}^{\′\′}=T_{obj}^{\′}+{\mathrm{\ΔT}}_{sur}=\frac{B}{ln(\frac{A}{C/{{\mathrm{\ϵ}}_o}^{\′}/e+I_{sur}}+F)}+{\mathrm{\ΔT}}_{sur}---\left(10\right)$

式中，ΔT_sur为环境温度的波动，0.5℃≤ΔT_sur≤1℃。

4、步骤6中所述重新设定发射率估计值ε′_o的具体方法为，在步骤5得到的实验物体的发射率ε_o值的基础上减小0.001，将减小后的数值设定为发射率估计值ε′_o。

优化好的发射率测量模型可以直接用于测量物体的发射率，在实际应用中，物体的发射率可以认为是其位置的函数ε_o(x,y)，这时只需用红外热像仪获取物体表面的一幅热像，就可以算出物体表面不同位置的发射率ε₀。

在实际应用中，由于不同物体的辐射能量是不同的，因此用红外探测器接收到的辐射值也是不同，因此测量不同材料物体的发射率值时，需要更换实验物体，重新执行步骤2-6，对测量模型重新优化。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的发射率的测量方法优化了发射率测量模型，优化方法简单快捷，在任何表面状态和温度下，只要采集到该状态下目标的光谱辐射量，就可以训练出该目标的发射率。

(2)本发明的发射率的测量方法考虑了包括被测物体吸收率，大气透过率，大气温度和环境温度等因素对红外热像仪测温的影响，从而获其对发射率的影响函数关系，使发射率的计算更加准确。

(3)本发明的发射率的测量方法通过对红外热像仪精确测温理论进行深入的研究，对其不确定度进行精确分析，从而得出在不同环境、一定温度范围内、某类特定探测器下客观精确的发射率测量模型，目的为缩小测温误差。

(4)本发明的发射率的测量方法可以将测量模型的优化至任何想要达到的目标精度e，使发射率的计算更加准确。

附图说明

图1是本发明的发射率的测量方法优化发射率测量模型的方法；

图2是红外辐射示意图；

图3是利用红外热像技术测量物体发射率的一般测量环境。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种发射率的测量方法，参考图1，包括以下步骤：

步骤1，建立初始发射率测量模型

以黑体作为参考，确定红外热像仪的标定曲线

$I_b\left(T\right)=\frac{A}{e^{B/T}-F}---\left(1\right)$

式中A、B、F是标定常数，A是探测器的响应因子，B是光谱因子，F是探测器的形状因子，T是黑体的绝对温度，e为发射率测量模型的目标精度，在0.01-0.02之间取值。

参考图2、图3，红外探测器所接收的热辐射能量i_tot不仅包括来自物体本身的红外辐射i_obj，还包括物体对环境的反射辐射i_sur、大气的透射辐射i_atm和扫描器内部的热辐射i_img等，所以红外探测器接收到的热辐射表示为

i_tot＝i_obj+i_sur+i_atm+i_img

＝τ_o·ε_o·I_b(T_obj)+τ_o·(1-ε_o)·ε_a·I_b(T_sur)+(1-τ_o)·I_b(T_atm)+i_img  (2)

式中，ε_o是物体的发射率、ε_a是环境的发射率,τ₀为大气透射率，T_obj、T_sur、T_atm分别为物体、环境和大气的绝对温度。当用于低温物体的温度测量时，为了准确测温，从i_tot中扣除大气、环境和扫描器等的热辐射，由于在仪器内部补偿了扫描器的热辐射i_img，所以式(1)中可以略去i_img项。在均匀环境辐射条件下，物体辐射可以等效为ε_a＝1、温度为T_sur的黑体辐射，由式(1)可得I_obj＝I_b(T_obj)，I_sur＝I_b(T_sur)。将ε_o作为待求参数，由式(2)可得

${\mathrm{\ϵ}}_o=\frac{i_{tot}-{\mathrm{\τ}}_o\·I_{sur}-(1-{\mathrm{\τ}}_o)\·I_{atm}}{{\mathrm{\τ}}_o\·(I_{obj}-I_{sur})}---\left(3\right)$

大气的温度、气压、相对湿度和大气的组份等都是影响大气透射辐射i_atm的因素，所以很难准确计算i_atm的值。当红外热像仪的工作距离d≤1.0m时，τ_o十分接近1，忽略i_atm几乎不引入理论误差，于是物体的初始发射率测量模型为

${\mathrm{\ϵ}}_o=\frac{i_{tot}-I_{sur}}{I_{obj}-I_{sur}}---\left(4\right)$

步骤2，选择与待测物体同种材料的物体作实验物体，查找材料发射率手册中实验物体的发射率值，将其设定为实验物体的发射率估计值ε′_o。当查阅不到时，也可以直接设定发射率估计值ε′_o＝0.05。

步骤3，由发射率估计值ε′_o计算物体的设定温度T″_obj，具体方法如下：

根据红外热像仪的标定曲线式(1)得到

$I_{obj}=\frac{A}{e^{B/T_{obj}}-F}---\left(5\right)$

$I_{sur}=\frac{A}{e^{B/T_{sur}}-F}---\left(6\right)$

测量误差主要包括随机误差和系统误差。红外热像仪的系统误差可以用其标定曲线I_b(T)的准确度来衡量。由于红外热像仪的标定曲线是在严格的测量环境下精确标定的，准确性高，一般不会成为测量误差的主要来源。因此，实际应用中可忽略系统误差，把随机误差作为测量精度的决定因素。

由于发射率的计算要控制在目标精度范围内，即则

$\frac{\left|{\mathrm{\ϵ}}_o-{{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}_o\right|}{{\mathrm{\ϵ}}_o}=\frac{\left|\frac{i_{tot}-I_{sur}}{I_{obj}-I_{sur}}-\frac{{i^{\′}}_{tot}-I_{sur}}{I_{obj}-I_{sur}}\right|}{\frac{i_{tot}-I_{sur}}{I_{obj}-I_{sur}}}=\frac{\left|i_{tot}-{i^{\′}}_{tot}\right|}{i_{tot}-I_{sur}}=\frac{\left|\±C\right|}{i_{tot}-I_{sur}}\≤e---\left(7\right)$

由式(4)和(7)可以求得

$I_{obj}\≥\frac{C}{{\mathrm{\ϵ}}_o\·e}+I_{sur}---\left(8\right)$

根据式(5)、式(6)和式(8)得到，在标定环境下，物体的温度

$T_{obj}^{\′}=\frac{B}{ln(\frac{A}{I_{obj}}+F)}\≥\frac{B}{ln(\frac{A}{C/{{\mathrm{\ϵ}}_o}^{\′}/e+I_{sur}}+F)}---\left(9\right)$

红外热像仪接收到的辐射有一部分来自于大气路径上所处的环境和背景反射的辐射，对目标测温造成了影响，在利用红外仪测温时，环境温度不是一个确定值，会受到太阳辐射、环境气温、天空长波辐射、风速的影响，在一定范围内波动。环境温度的波动为ΔT_sur，0.5℃≤ΔT_sur≤1℃。

则物体的设定温度

$T_{obj}^{\′\′}=T_{obj}^{\′}+{\mathrm{\ΔT}}_{sur}=\frac{B}{ln(\frac{A}{C/{{\mathrm{\ϵ}}_o}^{\′}/e+I_{sur}}+F)}+{\mathrm{\ΔT}}_{sur}---\left(10\right)$

步骤4，将实验物体放入黑体炉，同时将黑体炉的温度设定为T″_obj；当黑体炉的温度稳定后，用热电偶或精密温度计读取此时测定黑体炉内的物体温度T_obj以及黑体炉外的环境温度T_sur；迅速打开黑体炉的箱盖，利用红外热像仪捕获实验物体热像，得到实验物体的热辐射i_tot。

步骤5，将实验物体热辐射i_tot、实验物体温度T_obj以及环境温度T_sur带入式(4)，求得实验物体的发射率ε_o。

步骤6，比较实验物体的发射率ε_o与发射率估计值ε′_o，如果ε₀＞ε′_o，则终止优化；如果ε_o＜ε′_o，则重新设定发射率估计值ε′_o，再次执行步骤2-步骤5，直至ε₀＞ε′_o时优化结束。

重新设定发射率估计值ε′_o的具体方法为，在步骤5得到的实验物体的发射率ε_o值的基础上减小0.001，将减小后的数值设定为发射率估计值ε′_o，再次执行步骤2-步骤5，如果ε_o＜ε′_o，继续以0.001的差值递减，重新设定ε′_o，再次执行步骤2-步骤5，直至ε₀＞ε′_o时则优化结束。

优化好的发射率测量模型可以直接用于测量物体的发射率，在实际应用中，物体的发射率可以认为是其位置的函数ε_o(x,y)，这时只需用红外热像仪获取物体表面的一幅热像，就可以算出物体表面不同位置的发射率ε₀。

在实际应用中，由于不同物体的辐射能量是不同的，因此用红外探测器接收到的辐射值也是不同，因此测量不同材料物体的发射率值时，需要重新执行步骤2-6。物体的发射率可以认为是其位置的函数，即ε_o＝ε_o(x,y)。利用以上方法可得到准确的待测物体的发射率。

实施例

采用本发明优化后的发射率测量模型测量某一测试电路板上的三个电路元件A、B和C的发射率。

选择与电路元件同材料的物体做实验物体，InSb红外探测器(3～5μm)为测量装置，对发射率测量模型进行优化。设定发射率测量模型的目标精度e＝0.01，设定温度T‘'_obj＝45℃，环境温度T_sur＝23.4℃。采用本发明的优化方法优化对发射率测量模型进行优化，优化的参数及优化后的发射率测量模型计算出的印刷电路板的三个元件的发射率测量值如表1所示。

表1 优化参数及电路元件A、B和C的发射率测量值

由表1可看出测量元件B的发射率值ε_o＜ε'_o，不能满足测量要求，因此令发射率的估计值在测量值的基础上以0.001单位减小，直到取值ε'_o＝0.210，当e＝0.01、T_sur＝23.5℃时，设定温度为T′_obj＝60.0℃，此时元件B的发射率为ε_o＝0.241，满足测量要求。

为了验证元件发射率测量结果的准确性，在环境温度T_sur＝23.2℃和另一已知的设定温度T′_obj＝40.0℃下，根据前面所测定的元件发射率算出元件温度，如表2所示。

表2 根据发射率的训练结果验证元件的温度与设定温度的关系

由计算的元件温度可知，根据元件的发射率值计算出的温度和已知的温度的误差不超过2％，由此可以得出通过本发射率测量模型优化算法测量出的发射率精确度较高，适用于各种材料物体的发射率测量。

本发明以上描述只是部分实施案例，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式。上述的具体实施方式是示意性的，并不是限制性的。凡是采用本发明的方法，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，所有具体拓展均属本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种发射率的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，建立优化的发射率测量模型；

步骤二，使用优化的发射率测量模型测量待测物体的发射率。

2.根据权利要求1所述的发射率的测量方法，其特征在于，所述的步骤一具体按照以下步骤实施：

步骤1，建立初始发射率测量模型：

以黑体作为参考，确定红外热像仪的标定曲线为

$I_b\left(T\right)=\frac{A}{e^{B/T}-F}---\left(1\right)$

式中A、B、F是标定常数，A是探测器的响应因子，B是光谱因子，F是探测器的形状因子，T是黑体的绝对温度，e为发射率测量模型的目标精度；

根据红外物理的辐射定律及式(1)得到初始发射率测量模型为

${\mathrm{\ϵ}}_o=\frac{i_{tot}-I_{sur}}{I_{obj}-I_{sur}}---\left(4\right)$

式中，ε_o是物体的发射率，红外探测器接收到的热辐射i_tot，I_obj为物体的绝对温度下物体本身的红外辐射，I_sur为环境的绝对温度下物体对环境的反射辐射；

步骤2，选择与待测物体同种材料的物体作实验物体，查找材料发射率手册中实验物体的发射率值，将其设定为实验物体的发射率估计值ε_o′；

步骤3，由发射率估计值ε_o′计算实验物体的设定温度T″_obj；

步骤4，将实验物体放入黑体炉，同时将黑体炉的温度设定为T″_obj；当黑体炉的温度稳定后，用热电偶或精密温度计读取此时测定黑体炉内的实验物体温度T_obj以及黑体炉外的环境温度T_sur；迅速打开黑体炉的箱盖，利用红外热像仪捕获实验物体的热像，得到实验物体的热辐射i_tot；

步骤5，将实验物体热辐射i_tot、实验物体温度T_obj以及环境温度T_sur带入式(4)，求得实验物体的发射率ε_o；

步骤6，比较实验物体的发射率ε_o与发射率估计值ε_o′，如果ε₀>ε_o′，则优化结束；如果ε_o<ε_o′，则重新设定发射率估计值ε_o′，再次执行步骤2-步骤5，直至ε₀>ε_o′时优化结束，得到优化的发射率测量模型。

3.根据权利要求2所述的发射率的测量方法，其特征在于，步骤2中所述发射率估计值ε_o′设定为0.05。

4.根据权利要求2所述的发射率的测量方法，其特征在于，步骤3中所述由发射率估计值ε_o′计算实验物体的设定温度T″_obj，具体包括以下子步骤：

步骤3-1，根据红外热像仪的标定曲线式(1)得到

$I_{obj}=\frac{A}{e^{B/T_{obj}}-F}---\left(5\right)$

$I_{sur}=\frac{A}{e^{B/T_{sur}}-F}---\left(6\right)$

由于发射率的计算要控制在目标精度范围内，即则

$\frac{|{\mathrm{\&epsiv;}}_o-{{\mathrm{\&epsiv;}}^{\&prime;}}_o|}{{\mathrm{\&epsiv;}}_o}=\frac{|\frac{i_{tot}-I_{sur}}{I_{obj}-I_{sur}}-\frac{{i^{\&prime;}}_{tot}-I_{sur}}{I_{obj}-I_{sur}}|}{\frac{i_{tot}-I_{sur}}{I_{obj}-I_{sur}}}=\frac{|i_{tot}-{i^{\&prime;}}_{tot}|}{i_{tot}-I_{sur}}=\frac{|\&PlusMinus;C|}{i_{tot}-I_{sur}}\&le;e---\left(7\right)$

由式(4)和(7)可以求得

$I_{obj}\&GreaterEqual;\frac{C}{{\mathrm{\&epsiv;}}_o\&CenterDot;e}+I_{sur}---\left(8\right)$

根据式(5)、式(6)和式(8)得到，在标定环境下，实验物体的温度

$T_{obj}^{\&prime;}=\frac{B}{ln(\frac{A}{I_{obj}}+F)}\&GreaterEqual;\frac{B}{ln(\frac{A}{C/{{\mathrm{\&epsiv;}}_o}^{\&prime;},/e+I_{sur}}+F)}---\left(9\right)$

步骤3-2，考虑到环境温度的波动，则取实验物体的设定温度

$T_{obj}^{\&prime;\&prime;}=T_{obj}^{\&prime;}+{\mathrm{\&Delta;T}}_{sur}=\frac{B}{ln(\frac{A}{C/{{\mathrm{\&epsiv;}}_o}^{\&prime;}/e+I_{sur}}+F)}+{\mathrm{\&Delta;T}}_{sur}---\left(10\right)$

式中，ΔT_sur为环境温度的波动，0.5℃≤ΔT_sur≤1℃。

5.根据权利要求2所述的发射率的测量方法，其特征在于，步骤6中所述重新设定发射率估计值ε_o′的具体方法为，在步骤5得到的实验物体的发射率ε_o值的基础上减小0.001，将减小后的数值设定为发射率估计值ε_o′。