CN110411579B - 一种基于积分球的双调制发射率实时测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于积分球的双调制发射率实时测量系统，待测样品发出的辐射信号经过斩波器I调制为交变光信号并由抛物面反射镜I反射后经开孔I处的滤波片进入积分球，黑体发出的辐射信号经过斩波器II调制为交变光信号并由抛物面反射镜II反射后经开孔II处的滤波片进入积分球，待测样品的辐射信号和黑体的辐射信号调制为不同的频率，在积分球内混合后由同一个探测器探测，再根据不同的调制频率分别经锁相放大器I和锁相放大器II调制放大，同时得到样品辐射信号和黑体辐射信号，用于有效避免探测器不一致对测量结果的影响及探测器随时间的漂移对测量结果的影响。
Description
技术领域
本发明属于光度学、辐射度学以及辐射测温技术领域，具体涉及一种基于积分球的双调制发射率实时测量系统。
背景技术
发射率是材料重要的热物性参数之一，代表了材料对外进行热辐射的能力。准确的发射率测量数据对遥感、航空航天以及辐射测温具有重要意义。然而在发射率的测量过程中，尤其是环境温度多变的工业测量过程，环境温度的变化、探测器信号漂移以及光路传输过程中介质的变化都会对测量结果产生较大的影响，因此实时测量材料的发射率具有重要的应用前景。目前，一般采用能量对比法测量材料的发射率，即测量出样品和同等条件下黑体的辐射信号，通过对比计算得到材料的发射率。这种方法默认测量样品和黑体时系统的响应系数不变，且环境温度稳定可控。但目前工业生产以及实验室在测量发射率时通常不会同时测量黑体和样品的辐射信号，而是采用位移台移动测量目标或者采用旋转切换反射镜的方式实现黑体和样品辐射信号的切换，这种方法由于黑体、样品测量不同步，在环境温度变化剧烈的情况下，无法保证测量信号的准确性。少数在工业生产中同时测量黑体和样品的装置通常采用的是两套相同的测量系统，两套系统探测器的探测率不会完全相同，而且在长时间使用时，两套系统会产生较大的信号漂移，严重影响测量结果的可靠性。
发明内容
本发明的目的是针对工业生产对材料发射率实时测量的需求，提出了一种测量速率快且测量准确度高的基于积分球的双调制发射率实时测量系统。
本发明为实现上述目的采用如下技术方案，一种基于积分球的双调制发射率实时测量系统，其特征在于：所述积分球上设有三个开孔，开孔I用于输入待测样品信号，开孔II用于输入黑体信号，开孔III用于固定探测器，开孔I与开孔II大小相同且均安装有待测波段的滤波片，探测器固定在开孔III上，探测器的探测面处于开孔III内且探测面低于积分球的内壁；待测样品发出的辐射信号经过斩波器I调制为交变光信号并由抛物面反射镜I反射后经开孔I处的滤波片进入积分球，黑体发出的辐射信号经过斩波器II调制为交变光信号并由抛物面反射镜II反射后经开孔II处的滤波片进入积分球，待测样品的辐射信号和黑体的辐射信号调制为不同的频率，在积分球内混合后由同一探测器探测，再根据不同的调制频率分别经锁相放大器I和锁相放大器II调制放大，同时得到样品辐射信号和黑体辐射信号，用于有效避免探测器不一致对测量结果的影响及探测器随时间的漂移对测量结果的影响。
优选的，所述积分球由铝材料制作且内壁做镀金漫反射处理，其反射率大于92%。
优选的，所述黑体采用标准的黑体炉，其有效发射率大于0.995。
优选的，所述斩波器I和斩波器II以及锁相放大器I和锁相放大器II均采用同一型号，设定相同的放大倍数，但斩波器I和斩波器II设定不同的斩波频率；所述抛物面反射镜I和抛物面反射镜II采用同一型号，具有相同的焦距与反射率。
优选的，所述基于积分球的双调制发射率实时测量系统的具体运行过程为：
所述待测样品发出的辐射信号经过斩波器I调制为频率为300Hz的交变光信号，并由抛物面反射镜I反射后经开孔I处的滤波片进入积分球，其光谱辐射信号为
（1）
其中是待测样品的发射率，是待测波段的中心波长，是温度为T时理想黑体的辐射信号，是待测样品信号的调制频率，是待测样品信号的调制相位；
所述黑体发出的辐射信号经过斩波器II调制为频率为600Hz的交变光信号，并由抛物面反射镜II反射后经开孔II处的滤波片进入积分球，其光谱辐射信号为
（2）
其中是所用黑体的有效发射率，是黑体信号的调制频率，是黑体信号的调制相位；
所述样品辐射信号和黑体辐射信号经过调制后同时进入积分球，经过多次漫反射，辐射能量会均匀地分布在积分球表面，此时会有等量的样品信号和黑体信号进入到探测器的探测面，转换成不同频率的交变电信号，得到的交变电信号为
（3）
其中为测量系统的实时响应系数，通过实时测量黑体的辐射信号，再根据普朗克黑体辐射公式得到测量系统的实时响应系数；
将得到的交变电信号同时输入两个锁相放大器，其中锁相放大器I由斩波器I提供频率为300Hz的实时参考信号，锁相放大器II由斩波器II提供频率为600Hz的实时参考信号，经过两个锁相放大器依据参考频率锁相放大后，锁相放大器I和锁相放大器II分别输出的信号为
（4）
（5）
其中是放大倍数；
由上式可以得到待测样品的发射率为
（6）。
本发明与现有技术相比优势在于：
1、本发明能够实时测量得到待测样品和黑体的辐射信号，测量速度快且准确度高；
2、本发明中黑体和待测样品的信号采用同一探测器测量，有效避免了探测器不一致对测量结果的影响；
3、本发明在同一时间测量得到了待测样品信号和黑体信号，有效避免了探测器随时间的漂移对测量结果的影响；
4、本发明能够实时校准系统的响应系数，能够有效减小环境温度变化和光路传输介质变化对测量结果产生的影响。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的测量原理图。
图中：1-待测样品，2-斩波器I，3-抛物面反射镜I，4-积分球，5-抛物面反射镜II，6-斩波器II，7-黑体炉，8-探测器，9-锁相放大器I，10-锁相放大器II，11-计算机。
具体实施方式
结合附图详细描述本发明的技术方案，一种基于积分球的双调制发射率实时测量系统，所述积分球4上设有三个开孔，开孔I用于输入待测样品1信号，开孔II用于输入黑体信号，开孔III用于固定探测器8，开孔I与开孔II大小相同且均安装有待测波段的滤波片，探测器8固定在开孔III上，探测器8的探测面处于开孔III内且探测面低于积分球4的内壁；待测样品1发出的辐射信号经过斩波器I 2调制为交变光信号并由抛物面反射镜I 3反射后经开孔I处的滤波片进入积分球4，黑体发出的辐射信号经过斩波器II 6调制为交变光信号并由抛物面反射镜II 5反射后经开孔II处的滤波片进入积分球4，待测样品1的辐射信号和黑体的辐射信号调制为不同的频率，在积分球4内混合后由同一个探测器8探测，再根据不同的调制频率分别经锁相放大器I 9和锁相放大器II 10调制放大，最后输入至计算机11同时得到待测样品1辐射信号和黑体辐射信号，用于有效避免探测器8不一致对测量结果的影响及探测器8随时间的漂移对测量结果的影响。
本发明所述积分球4由铝材料制作且内壁做镀金漫反射处理，其反射率大于92%；所述黑体采用标准的黑体炉7，其有效发射率大于0.995；所述斩波器I 2和斩波器II 6以及锁相放大器I 9和锁相放大器II 10均采用同一型号，设定相同的放大倍数；所述抛物面反射镜I 3和抛物面反射镜II 5采用同一型号，具有相同的焦距与反射率。
本发明所述基于积分球的双调制发射率实时测量系统的具体运行过程为：
所述待测样品发出的辐射信号经过斩波器I调制为频率为300Hz的交变光信号，并由抛物面反射镜I反射后经开孔I处的滤波片进入积分球，其光谱辐射信号为
（1）
其中是待测样品的发射率，是待测样品波段的中心波长，是温度为T时理想黑体的辐射信号，是待测样品信号的调制频率，是待测样品信号的调制相位；
所述黑体发出的辐射信号经过斩波器II调制为频率为600Hz的交变光信号，并由抛物面反射镜II反射后经开孔II处的滤波片进入积分球，其光谱辐射信号为
（2）
其中是所用黑体的有效发射率，是黑体信号的调制频率，是黑体信号的调制相位；
所述样品辐射信号和黑体辐射信号经过调制后同时进入积分球，经过多次漫反射，辐射能量会均匀地分布在积分球表面，此时会有等量的样品信号和黑体信号进入到探测器的探测面，转换成不同频率的交变电信号，得到的交变电信号为
（3）
其中为测量系统的实时响应系数，通过实时测量黑体的辐射信号，再根据普朗克黑体辐射公式得到测量系统的实时响应系数；
将得到的交变电信号同时输入两个锁相放大器，其中锁相放大器I由斩波器I提供频率为300Hz的实时参考信号，锁相放大器II由斩波器II提供频率为600Hz的实时参考信号，经过两个锁相放大器依据参考频率锁相放大后，锁相放大器I和锁相放大器II分别输出的信号为
（4）
（5）
其中是放大倍数；
由上式可以得到待测样品的发射率为
（6）。
以上显示和描述了本发明的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围。
Claims (5)
1.一种基于积分球的双调制发射率实时测量系统，其特征在于：所述积分球上设有三个开孔，开孔I用于输入待测样品信号，开孔II用于输入黑体信号，开孔III用于固定探测器，开孔I与开孔II大小相同且均安装有待测波段的滤波片，探测器固定在开孔III上，探测器的探测面处于开孔III内且探测面低于积分球的内壁；待测样品发出的辐射信号经过斩波器I调制为交变光信号并由抛物面反射镜I反射后经开孔I处的滤波片进入积分球，黑体发出的辐射信号经过斩波器II调制为交变光信号并由抛物面反射镜II反射后经开孔II处的滤波片进入积分球，待测样品的辐射信号和黑体的辐射信号调制为不同的频率，在积分球内混合后由同一探测器探测，再根据不同的调制频率分别经锁相放大器I和锁相放大器II调制放大，同时得到样品辐射信号和黑体辐射信号，用于有效避免探测器不一致对测量结果的影响及探测器随时间的漂移对测量结果的影响。
2.根据权利要求1所述的基于积分球的双调制发射率实时测量系统，其特征在于：所述积分球由铝材料制作且内壁做镀金漫反射处理，其反射率大于92%。
3.根据权利要求1所述的基于积分球的双调制发射率实时测量系统，其特征在于：所述黑体采用标准的黑体炉，其有效发射率大于0.995。
4.根据权利要求1所述的基于积分球的双调制发射率实时测量系统，其特征在于：所述斩波器I和斩波器II以及锁相放大器I和锁相放大器II均采用同一型号，设定相同的放大倍数，但斩波器I和斩波器II设定不同的斩波频率；所述抛物面反射镜I和抛物面反射镜II采用同一型号，具有相同的焦距与反射率。
5.根据权利要求1所述的基于积分球的双调制发射率实时测量系统，其特征在于具体运行过程为：
所述待测样品发出的辐射信号经过斩波器I调制为频率为300Hz的交变光信号，并由抛物面反射镜I反射后经开孔I处的滤波片进入积分球，其光谱辐射信号为
（1）
其中是待测样品的发射率，是待测波段的中心波长，是温度为T时理想黑体的辐射信号，是待测样品信号的调制频率，是待测样品信号的调制相位；
所述黑体发出的辐射信号经过斩波器II调制为频率为600Hz的交变光信号，并由抛物面反射镜II反射后经开孔II处的滤波片进入积分球，其光谱辐射信号为
（2）
其中是所用黑体的有效发射率，是黑体信号的调制频率，是黑体信号的调制相位；
所述样品辐射信号和黑体辐射信号经过调制后同时进入积分球，经过多次漫反射，辐射能量会均匀地分布在积分球表面，此时会有等量的样品信号和黑体信号进入到探测器的探测面，转换成不同频率的交变电信号，得到的交变电信号为
（3）
其中为测量系统的实时响应系数，通过实时测量黑体的辐射信号，再根据普朗克黑体辐射公式得到测量系统的实时响应系数；
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（5）
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