CN107064152A - 一种便携式红外发射率测量系统 - Google Patents

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陈明
陈闽豪
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彭真明
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Abstract

本发明公开了一种便携式红外发射率测量系统，具体涉及红外发射率测量领域；本发明旨在解决传统红外发射率测量设备结构复杂、体积大、质量大、测量方式繁杂导致无法在外场使用的问题；本申请采用的技术方案为：包括IR发射模块、积分球光学模块、IR接收模块、嵌入式微处理器模块、触控显示模块和供电模块，IR发射模块包括红外光源、光学处理组件、激光器和共光路组件，通过前期引入光学处理组件，对红外光进行波段筛选，减少探测器使用，从而大大降低了测量系统的复杂程度，使得本申请的便携性较好，同时提高了该系统的测量精度；本申请适用于固体材料表面的红外半球发射率的测量领域。

Description

一种便携式红外发射率测量系统
技术领域
本发明涉及红外发射率测量领域，具体来说，涉及一种便携式红外发射率测量系统。
背景技术
以下对本发明的相关技术背景进行说明，但这些说明并不一定构成本发明的现有技术。物质表面的发射率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。它在很多领域发挥着重要的作用。国防领域中，材料发射率是对飞机、导弹、坦克、蒙皮的辐射特性的认知和军事预警、制导、隐身的关键；航天领域中，烧蚀材料的发射率是航天器烧蚀防热设计的关键性能参数之一；此外在能源利用、遥感、遥测、辐射测温、红外加热、医学理疗、材料科学等领域中也具有重要的应用价值。
材料表面辐射特性的研究工作可以追溯到十八世纪中叶，1753年富兰克林提出了不同物质具有不同的接收和发散热量能力的概念。根据不同的测试原理，国内及国际上建立多种的材料发射率测量方法和装置，主要有量热法、反射率法、能量法等。其中，基于积分球反射计的反射率法是一种测量固体材料表面发射率的有效方法。反射率法是一种间接测量方法，它通过反射计测量求得样品的反射率，再由基尔霍夫定律求得样品的发射率。而积分球在反射率测量方面的应用大大扩展了反射率法的使用。
1900年Ulbricht制造了世界上第一个积分球，这是光度学发展历史上的一件大事。随着人们对红外漫反射材料的发现，以及对制作红外漫反射表面技术的掌握，积分球的应用波段范围已从可见光扩展到近红外乃至远红外区域。积分球在测量反射率方面已经成为最基本和最常用的方法之一，如PerkinElmer公司的可见光测量设备和意大利IMGC的Righini以及哈工大范毅等人的脉冲加热装置中都采用了积分球反射计。2000年上海技术物理所叶家福等人设计了一种近似积分球反射计法的测量方法——椭球法。美国SOC(Surface Optics Corporation)公司生产的便携式红外发射率测量仪个别测量头也使用了积分球。基于积分球反射计的光谱发射率测量方法不仅解决了常温和中低温发射率测量的难题，而且突破了测量超低发射率材料的技术瓶颈。
然而上述基于积分球反射计的测量仪器大多构造过于复杂，体积过大，且不易使用。在实际应用中，实现多波段的测量过程并不简单，往往在光源部分使用光斩波器对红外光进行调制，再通过光栅单色仪依次转换成不同波长的单色辐射，在采集模块使用多个探测器。光栅单色仪是对比传统大体积发射率测量设备，操作起来很复杂，所以这种测量法存在着成本过高、光机结构复杂、调节困难等缺点，因而极大限制了红外发射率测量设备的应用。
同时利用积分球来测量物体反射率的时候，硬件设备被红外光源照射也会引起光路畸变和较强背景红外辐射导致测量不准，精度降低。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述解决传统红外发射率测量设备结构复杂、体积大、质量大、测量方式繁杂导致无法在外场使用的问题，本发明提供一种便携式红外发射率测量系统。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供了一种便携式红外发射率测量系统，包括IR发射模块、积分球光学模块、IR接收模块、嵌入式微处理器模块、触控显示模块和供电模块；
所述IR发射模块为一体化折叠式半封闭机械结构，包括红外光源、光学处理组件、激光器和共光路组件，红外光源发射红外光至光学处理组件，光学处理组件处理所述红外光并输出指定波段的红外光，激光器用于发射可见激光，共光路组件采集并使指定波段的红外光和激光处于同一光路(该激光束位于红外光束的中心)，并将指定波段的红外光将反射至样品上；
所述积分球光学模块将来自IR发射模块的红外光照射到样品上，被样品漫反射后再经积分球内表面多次漫反射，然后经探测口输出带有样品红外发射率信息的红外光；
IR接收模块包括接收组件和信号处理组件，接收组件接收由积分球光学模块输出的带有样品红外发射率信息的红外光并转化为带有样品的红外漫反射光辐射强度信息的模拟信号，信号处理组件对模拟信号进行放大和滤波处理，再转化为数字信号；
具体地，所述信号处理组件包括用于放大电信号的运放电路、用于降噪的滤波电路和用于将模拟信号转换成数字信号的A/D转换器；
所述一体化折叠式半封闭结构的IR接收模块和一体化半封闭机械结构的IR发射模块，IR接收模块和IR发射模块两部分被分别封装成一个整体；
所述嵌入式微处理器模块对激光器、IR光源和步进电机进行控制，并接收由IR接收模块输出的数字信号，并根据数字信号计算样品指定波段的发射率；
所述触控显示模块用于进行人机交互、选择系统功能并显示测量结果、系统状态等信息。
具体地，所述光学处理组件包括抛物面反射器、波段选择器和可调光阑，所述红外光源发射的红外光经过抛物面反射器产生准直红外光，准直红外光发射至可调光阑再经过波段选择器处理得到所述指定波段的红外光。
较佳地，所述IR发射模块还包括后置式抛物面反射器，且红外光源位于抛物面反射器的焦点处，出射光为准直红外光。
具体地，所述波段选择器包括滤光片转换轮和用于驱动滤光片转换轮的步进电机。
具体地，共光路组件包括分光棱镜和第一平面反射镜；所述激光器发射的激光经过第一平面反射镜反射并至分光棱镜，所述反射激光和所述目标发射率波段的红外光经过分光棱镜处理后处于同一光路，再经过第二平面反射镜发射至积分球光学模块。
具体地，所述激光器采用0.65μm微型半导体激光器，所述分光棱镜采用ZnSe分光棱镜，分光棱镜的斜面镀0.76～12μm波段的增透膜和0.65μm波段的增反膜，分光棱镜主光路方向后侧平面镀0.76～12μm波段的增透膜，分光棱镜前侧平面镀0.65μm和0.76～12μm波段的增透膜。
具体地，积分球光学模块包括光学积分球，所述光学积分球上开有探测口、光源口和样品口，样品口呈凸起状，光源口边缘指向样品口，探测口边缘指向光学积分球球心；光学积分球光学模块还包括挡屏，IR发射模块产生待测波段的准直红外光进入光学积分球内，挡屏位于样品镜面反射处，挡去待测物品的镜面反射光。
优选地，所述光学积分球采用内表面镀金的铝制光学积分球。
进一步优选地，入射红外光与光学积分球样品口的法线之间的夹角θ约20°反射至待测样品上。
具体地，所述IR接收模块包括探测器，所述探测器前端设置有菲涅耳聚焦透镜，所述菲涅耳聚焦透镜直径大于探测口孔径。
具体地，所述探测器是波段为0.19～20μm的热电堆探测器；热电堆探测器较佳的采用宽波段、μW级(微瓦级)的高灵敏度的探测器。
具体地，所述微处理器模块包括搭载有x86微处理器的PC/104总线主板，采用RS485串口和USB3.0接口，微处理器控制红外光源、激光器、步进电机和驱动触控显示模块；所述供电模块包括大容量聚合物锂电池、用于给系统各个模块供电的DC-DC电源转换单元和用于启动系统的触发扳机。
优选地，所述直流电源为4块可充电式锂电池构成的16.8V直流电源，方便系统的便携集成。
其中上述的IR是指Infared Radiation的缩写。
本申请同时提供了一种便携式红外发射率测量装置的测量方法，包括以下步骤：
步骤一，扣动扳机启动系统，在微处理器的控制下，启动探测器和红外光源，经过时间T后，红外光源预热完毕，系统完成初始化；
步骤二，获取已知发射率为ε0的标准样品的基准电压信号Vo；
步骤三，获取待测样品基准电压信号Vs；
其中获取基准电压信号的具体的步骤为：
子步骤S1：在触控屏选择待测波段，红外光源产生红外光，微处理器根据用户选择的波段向步进电机发送脉冲信号，控制步进电机来带动滤光片转换轮，使所选波段滤光片处于光路中，从而得到选定波段的红外光，同时，激光通过共光路组件与选定波段的红外光共光路，最后与红外光一起指向样品口中央；
子步骤S2：在激光光斑的指示下，将样品口紧密贴合于样品处；
子步骤S3：在触控屏选择测量功能，此时，微处理器自动关闭激光器，系统开始测量；将子步骤S1中的红外光反射到样品上并采集到样品的红外漫反射光，IR接收模块将漫反射光转换成模拟信号，模拟信号经过放大滤波处理再经A/D转换器转换成数字信号，得到反映积分球内部漫反射强度的电信号；经过一段时间后，可以在屏幕上观察到，积分球内部漫反射强度信号已经趋于稳定，IR接收模块采集到的稳定的电信号值，即为基准电压信号；
步骤四，计算待测样品的红外发射率εs；
由基尔霍夫定律可得得到待测样品的红外发射率εs：利用(1)式即可得待测样品的红外发射率，这一计算过程由微处理器执行，并将测量结果输出和显示到触控屏上。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本申请通过前期引入光学处理组件，对红外光进行前期的波段筛选，减少后期的探测器等设备，从而大大降低了测量系统的复杂程度，使得本申请的便携性较好，同时通过前期红外光进行波段筛选和可调光阑遮挡红外光源发出的边缘杂散光的作用，避免了不必要的红外光对于测量系统的加热，这些设计提高了测量精度；
2.本申请采用滤光片转换轮和用步进电机作为波段选择器，结构简单，成本较低，且可以简单实现多波段的筛选和调节，从而使得整个测量系统可以简易的实现多波段的发射率的测量；
3.红外光源置于抛物面反射器的焦点处使出射光为准直光，这不仅简化了光机结构，而且减少了积分球光学模块所输出红外光功率趋于稳定所需的反射次数，在一定程度上减小了测量所需要的时间，同时避免了光栅单色仪等高成本器件的使用，降低了整个系统的成本以及提高系统的便携性；
4.本申请通过引入激光，并将红外线与激光通过共光路组件实现同一光路，由于红外光人眼并不可见，可见光激光可以起到很好的校准和指示的作用，让设备在使用时候知道光源光是否打在样品上，进而提高设备的测量准确性；
5.采用了宽波段高灵敏度探测器和聚焦透镜的组合，从而可以在符合积分球标准的情况下增大探测口的孔径，从而提高探测精度。聚焦透镜直径略大于探测口孔径，使积分球光学模块输出的红外光汇聚，因而可以使用小尺寸探测器来使IR接收模块小巧紧凑，进一步提高系统的便携性；
6.采用PC/104总线的嵌入式控制系统，使用x86架构处理器，该平台可安装win7以上操作系统，具有一般嵌入式平台所不具有的优势。采用LCD触摸显示屏，完成对数据的采集、计算、存储和显示。触控显示屏可以进行对数据的实时显示和操作，数据可以通过USB端口传递到计算机硬盘。采用嵌入式的设计提高了系统的便携性；
7.积分球样品口由于经常接触样品而容易受到磨损，采用凸起设计进行加固；
8.直流电源为4块可充电式锂电池构成的16.8V直流电源，进一步提高系统的便携性。
附图说明
图1是本发明的系统框图；
图2是本发明的光学结构示意图；
图3是本发明的IR发射模块结构示意图；
图4是本发明的外表结构示意图；
1.光学积分球；2.光源口；3.探测口；4.样品口；5.样品板；6.挡屏；7.IR发射模块；8.IR接收模块；9.抛物面反射器；10.红外光源；11.可调光阑；12.滤光片转换轮；13.步进电机；14.半导体微型激光器；15.第一平面反射镜；16.第二平面反射镜2；17.ZnSe分光棱镜；18.扳机；19.触控屏；20.充电插孔。
具体实施方式
下面结合附图1-4对本发明做进一步详细说明。
实施例一
如图1所示，本发明具体提供了一种便携式红外发射率测量系统，包括IR发射模块、积分球光学模块、IR接收模块、嵌入式微处理器模块、触控显示模块和供电模块。如图2所示，其所述IR发射模块包括红外光源10、抛物面反射器9、可调光阑11、滤波段选择器(光片转换轮12和步进电机13组成)、波长为0.65μm半导体微型激光器14、第二平面反射镜16、共光路组件9(第一平面反射镜15和ZnSe分光棱镜17组成)；所述积分球光学模块包括挡屏6、一个内表面镀金的铝制光学积分球1，其上开有探测口3、光源口2和样品口4,IR发射模块7产生指定波段的准直红外光进入积分球1内，经过光学积分球1多次反射后到达IR接收模块8，挡屏6位于样品镜面反射处，挡去待测样品板5的镜面反射光。
测量过程主要包括三步：预热、标准样品测量、待测样品测量。先扣动扳机18启动系统，在嵌入式微处理器控制下，激光打开，红外光源开始预热，经过时间T1预热完毕。将样品口紧贴已知红外发射率的标准样品，屏幕上选择测量功能并选择所需测量的波段开始测量；测量时，激光关闭，测量完毕得到基准电压信号Vo，这时触控屏上提示进行待测样品的测量；再将样品口紧贴待测样品，测量完毕得到基准电压信号Vs，触控屏19上显示测量结果，并可以进行保存或导出等操作。在系统的使用过程中，需要不定期利用激光对红外光中心位置检查，以对IR发射模块位置进行校准，这也是激光器除指示样品之外的一个重要作用。
测量原理：
IR发射模块产生的待测波段的准直红外光，经平面反射镜反射进入积分球内部，照在样品表面，入射光与样品口处的法线之间的夹角θ约20°，经样品板(即样品)反射后的红外光在光学积分球1内多次漫反射，最终达到均匀分布的稳定状态，被设置在探测口处的IR接收模块8捕捉到；挡屏6挡去样品的镜面反射光，使到达IR接收模块8的光不含镜面反射，在测量过程中，探测器始终处于工作状态，积分球内辐射分布是否达到稳定，由处理器根据探测器实时返回的数据进行判断。
根据积分球反射计原理，先对已知红外发射率为εo的标准样品进行测量，得到基准电压信号Vo；对待测样品进行测量，得到样品信号Vs。设待测样品的红外发射率为εs，再由基尔霍夫定律可得如下关系：
利用(1)式即可得待测样品的红外发射率εo。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本发明并不局限于文中详细描述和示出的具体实施方式，在不偏离权利要求书所限定的范围的情况下，本领域技术人员可以对所述示例性实施方式做出各种改变，但是均应落入本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种便携式红外发射率测量系统，其特征在于，包括IR发射模块、积分球光学模块、IR接收模块、嵌入式微处理器模块、触控显示模块和供电模块，所述IR发射模块包括红外光源、光学处理组件、激光器和共光路组件；
红外光源发射红外光；
光学处理组件处理所述红外光并输出指定波段的红外光；
激光器用于发射可见激光；
共光路组件使激光与来自光学处理组件的红外光处于同一光路，并将指定波段的红外光将反射至样品上；
积分球光学模块将来自IR发射模块输出的红外光照射到样品上，所述红外光被样品漫反射后再经积分球光学模块多次漫反射，并输出带有样品红外发射率信息的红外光；
IR接收模块包括接收组件和信号处理组件，接收组件接收由积分球光学模块输出的带有样品红外发射率信息的红外光并转化为带有样品的红外漫反射光辐射强度信息的模拟信号，信号处理组件对模拟信号进行放大和滤波处理，再转化为数字信号；
嵌入式微处理器模块接收由IR接收模块输出的数字信号，并根据数字信号计算样品指定波段的发射率；
触控显示模块用于进行人机交互、选择系统功能、显示测量结果及系统状态信息。
2.如权利要求1所述的一种便携式红外发射率测量系统，其特征在于，所述光学处理组件包括抛物面反射器、波段选择器和可调光阑，所述红外光源发射的红外光经过抛物面反射器产生准直红外光，准直红外光发射至可调光阑再经过波段选择器处理得到所述指定波段的红外光。
3.如权利要求2所述的一种便携式红外发射率测量系统，其特征在于，所述波段选择器包括滤光片转换轮和用于驱动滤光片转换轮的步进电机。
4.如权利要求1所述的一种便携式红外发射率测量系统，其特征在于，共光路组件包括分光棱镜和第一平面反射镜；所述激光器发射的激光经过第一平面反射镜反射并至分光棱镜，所述反射激光和所述目标发射率波段的红外光经过分光棱镜处理后处于同一光路，再经过第二平面反射镜发射至积分球光学模块。
5.如权利要求4所述的一种便携式红外发射率测量系统，其特征在于，所述激光器采用0.65μm微型半导体激光器，所述分光棱镜采用ZnSe分光棱镜，分光棱镜的斜面镀0.76～12μm波段的增透膜和0.65μm波段的增反膜，分光棱镜主光路方向后侧平面镀0.76～12μm波段的增透膜，分光棱镜前侧平面镀0.65μm和0.76～12μm波段的增透膜。
6.如权利要求1所述的一种便携式红外发射率测量系统，其特征在于，积分球光学模块包括光学积分球，所述光学积分球上开有探测口、光源口和样品口，样品口呈凸起状，光源口指向样品口，探测口指向光学积分球球心。
7.如权利要求1所述的一种便携式红外发射率测量系统，其特征在于，所述接收组件包括探测器，所述探测器前端设置有菲涅耳聚焦透镜，所述菲涅耳聚焦透镜直径大于探测口孔径。
8.如权利要求7所述的一种便携式红外发射率测量系统，其特征在于，所述探测器是波段为0.19～20μm的热电堆探测器。
9.如权利要求1所述的一种便携式红外发射率测量系统，其特征在于，所述信号处理组件包括用于放大电信号的运放电路、用于降噪的滤波电路和用于将模拟信号转换成数字信号的A/D转换器。
10.如权利要求1所述的一种便携式红外发射率测量系统，其特征在于，所述微处理器模块包括搭载有x86微处理器的PC/104总线主板，采用RS485串口和USB3.0接口，微处理器控制红外光源、激光器、步进电机和驱动触控显示模块；所述供电模块包括大容量聚合物锂电池、用于给系统各个模块供电的DC-DC电源转换单元和用于启动系统的触发扳机。
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