紅外熱像儀與表面熱電偶測量發射率的匹配法

李文軍，徐永達，鄭永軍

（中國計量大學計量測試工程學院，浙江 杭州 310018）

紅外熱像儀與表面熱電偶測量發射率的匹配法

李文軍，徐永達，鄭永軍

（中國計量大學計量測試工程學院，浙江 杭州 310018）

使用紅外熱像儀測量物體溫度時，需要知道被測物體的發射率。為測量物體的發射率，提出紅外熱像儀和表面熱電偶組合的匹配法。建立匹配法測量發射率的實驗裝置，使用該實驗裝置，利用恒溫源對測試樣品進行加熱，在近環境溫度范圍內對兩種測試樣品3M Scotch Super 88型絕緣膠帶和3M 1721型絕緣膠帶的發射率進行測量。實驗結果表明，測量值與文獻值一致。該文給出兩種樣品在不同溫度區間的具體發射率值，該發射率值可用做紅外熱像儀工程測溫中的參考值。

紅外熱像儀；表面熱電偶；發射率；匹配法

0 引 言

紅外熱像儀在工程測試領域得到了越來越廣泛的應用。當用紅外熱像儀測量物體溫度時，需要知道物體的發射率[1-4]。侯成剛等[5]根據紅外探測器對物體輻射的輸出響應，導出了物體溫度、環境溫度、物體發射率和測量精度之間的關系，測定了發射率。美國材料與試驗協會 （American society for testing and materials，ASTM）給出了紅外成像設備測量和補償發射率的方法以及適用條件[6]。楊立等[7]給出了測量發射率時表面輻射率誤差的計算公式。黃龍祥等[8]建立了基于紅外熱像儀的涂層波段發射率測量裝置，實際測試發射率0.708與0.920之間的4個標準樣品，誤差不大于2.06%。徐軍等[9]提出一種用熱像儀和熱板儀結合測量織物紅外發射率方法。白敬晨等[10]針對雙參考體方法計算公式中參數n的取值加以改進，推導出了物體發射率計算公式并給出了適用條件。劉華等[11]建立了毫米級非均勻粗糙表面紅外發射率的等溫測量裝置，導出熱電偶與紅外熱像儀雙重測溫的紅外發射率計算公式。李園園等[12]通過改變環境輻射的方法測定目標的反射率得到物體的發射率，采用黑體作為主動輻射源改變環境輻射，對3種物質分別進行了發射率測量。劉連偉等[13]針對大型設備表面發射率測量提出一種工程測量方法，利用兩個發射率已知的參考物，以消除環境輻射對表面發射率測量的影響。

本文首先介紹了紅外熱像儀與接觸測溫法結合測量發射率的原理，然后介紹了熱像儀與表面熱電偶組合測試發射率的實驗裝置，最后在近環境溫度范圍對測試樣品的發射率進行了測試，并給出了樣品在不同溫度區間內的發射率。

1 實驗原理和實驗裝置

1.1 匹配法的實驗原理

紅外成像設備與接觸測溫法結合可以測量發射率，其基本測量原理是針對同一測量點，用接觸測溫法測量其溫度，再用紅外熱成像設備測量其溫度，通過這兩個溫度測量值的比較以確定測點的表面發射率。

根據上述原理，為了使接觸法更準確地測量點的溫度，提出了采用表面熱電偶的匹配法。具體方法是：用標定過的表面熱電偶測量物體表面測量點所在區域的真實溫度值T1，再以T1為參考值，用標定過的紅外熱像儀（其工作波長為λ1到λ2）對同一區域進行測量，調整紅外熱像儀的發射率的值，直到溫度值T2與參考值T1相同。此時的發射率值即物體表面在溫度為T1時，波長范圍為λ1到λ2的發射率。

需要指出的是，匹配法需要對被測物體進行加熱或者制冷，以滿足測量時所必須符合的溫度條件。

1.2 實驗裝置

根據匹配法，在實驗室環境下搭建了測量發射率的實驗裝置。構成實驗裝置的主要設備和儀器包括以下4種：

1）紅外熱像儀。實驗采用的紅外熱像儀是一個標定過的紅外熱像儀，并且熱像儀的環境溫度參數和發射率參數可以設置和調整。在實驗中采用了FLIRE60型熱像儀。

2）三腳架。三腳架用于紅外熱像儀的定位。

3）樣品加熱裝置。按照匹配法測量方法以及ASTM E1933-99a測試標準，測量必須滿一個溫度條件，即被測樣品溫度與環境溫度的差值在10℃以上。為滿足這一條件，對樣品進行加熱或者制冷。建立的實驗裝置中選用了對樣品加熱的方法，以保證滿足溫度條件。樣品加熱裝置采用了安立公司ACS II-2000溫度標準源，其實物圖如圖1所示，其中黑色條狀物為待測樣品。用ACS II-2000溫度標準源加熱樣品時，目標溫度可以設定在室溫到500℃之間，從室溫到250℃的加熱時間為20min，從250℃冷卻到50℃的時間為70min。

4）表面熱電偶。匹配法要求用表面熱電偶測量物體表面溫度，實驗中采用了一種表面熱電偶，其具體產品型號為NR-81532B。NR-81532B是一種K型表面熱電偶，其實物圖如圖2，其感溫頭帶有彈簧結構，即圖中弓形金屬片及支持結構，這種結構可以使感溫頭緊密附著于被測物體表面。

圖1 ACSⅡ-2000溫度標準源

圖2 NR-81532B型表面熱電偶

以上4種設備構成實驗裝置的主要部分。實驗中還使用軟件FLIR Tools和安立HD-1200K溫度記錄儀分別記錄熱像儀和表面熱電偶的數據。

2 測試樣品和實驗過程

2.1 測試樣品

在工程測量中，電氣絕緣膠帶常被用作發射率的參考物質[14]。根據文獻公布的參考數據，3M Scotch Super 88型電氣絕緣膠帶的發射率為0.95，3M 1712型電氣絕緣膠帶為0.93。實驗中選擇了這兩種絕緣膠帶作為測試樣品。由于物體的表面發射率與溫度有關，在一個比較寬的溫度范圍內，這兩種絕緣膠帶的發射率隨溫度是變化的。利用建立的實驗裝置，實測了絕緣膠帶樣品在室溫到140℃范圍內的發射率。

2.2 實驗過程

把測試樣品在ACS II-2000溫度標準源的加熱平臺上定位，通過ACS II-2000溫度標準源的溫控器，設定加熱的目標溫度。在溫控器的溫度指示值到達該目標溫度后，保持10min，以保證樣品與加熱平臺之間達到熱平衡，再分別用表面熱電偶和紅外熱像儀對測試樣品的表面溫度進行測量。

在一個固定的溫度點上，一次測量過程具體描述如下：

1）將紅外測溫儀安裝在三腳架上，相對于測試樣品進行定位，保證測量距離和測量角度符合使用規范。

2）用紅外熱像儀瞄準被測樣品。

3）使用紅外熱像儀的點溫、十字線瞄準和等溫線功能，測量和補償由于反射溫度所引起的誤差。

4）用表面熱電偶測量同一測量區域的溫度，并記錄這個溫度值。

5）保持熱像儀圖像不動，調整熱像儀發射率，直到熱像儀圖像指示溫度與步驟4）中溫度值相同。記錄這時的發射率值，作為測試樣品在該目標溫度下、該工作波段上的發射率。

6）重復步驟1）到步驟5）過程3次，取3次測量值的平均值作為發射率值。

在完成一個溫度點上的測量后，進入下一個溫度點。設定不同的加熱目標溫度，可以得到測試樣品在不同溫度點上的發射率。

3 實驗結果及分析

3.1 實驗結果

圖3 加熱器設定溫度T0為50℃時樣品的熱圖像

圖4 加熱器設定溫度T0為100℃時樣品的熱圖像

在室溫為20℃的環境下，對兩種絕緣膠帶的表面發射率進行了測量。定義T0為加熱器設定的加熱溫度，T1為表面熱電偶測量得到的樣品表面溫度值，ε為熱像儀匹配于T1時的發射率值。在每個溫度點測量3次，ε取3次測量值的平均值。

圖3為加熱器設定溫度T0在50℃時兩種樣品的熱圖像。圖4為加熱器設定溫度T0在100℃時兩種樣品的熱圖像。

表1和表2分別為兩種樣品分別在室溫到140℃的測量數據，ε為3次發射率測量值的平均值。

3.2 分 析

3M Scotch Super 88型絕緣膠帶用于電工領域，其使用溫度區間為-18～105℃，從表1可以看出，當把它用作發射率參考物質時，溫度區間上限可以從105℃擴展到140℃，在擴展區間內，發射率仍基本穩定。

表1 3M Scotch Super 88型絕緣膠帶的發射率

表2 3M 1712型絕緣膠帶的發射率

3M 1721型絕緣膠帶用于電工領域，其使用度區間為0～80℃，從表2可以看出，當把它用作發射率參考物質時，溫度區間上限可以擴展到120℃。

在近環境溫度范圍，把3M Scotch Super 88型絕緣膠帶用作發射率參考物質時，其發射率在兩個溫度區間具有穩定值：在50～100℃，其發射率為0.92；在100～140℃，其發射率為0.93。把3M 1721型絕緣膠帶作發射率參考物質時，其發射率同樣是在兩個溫度區間內具有穩定值：在50～100℃，其發射率為0.92；在 100～120℃，其發射率為 0.93。

4 結束語

根據紅外熱成像設備與接觸測溫法結合測量發射率的原理，本文提出了紅外熱像儀與表面熱電偶組合測量發射率的匹配法，建立了實驗裝置，并在近環境溫度范圍內，采用加熱方法對工程測量中常用的發射率參考物進行了測試，給出了其在不同溫度區間內的發射率。該發射率值可用做紅外熱像儀工程測溫中的參考值。

[1]MICHAEL V，KLAUS P M.Infrared thermal imaging[M].Germany： WILEY-VCH Verlag GmbH&Co.KGaA，2010：127-145.

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[4]唐麟，劉琳，蘇君紅.熱成像系統空間分辨率退化建模及仿真[J].國外電子測量技術，2014，33（9）：21-27.

[5]侯成剛，張廣明，趙明濤，等.用紅外熱成像技術精確測定物體發射率[J].紅外與毫米波學報，1997，16（3）：193-198.

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[7]楊立，寇蔚，劉慧開，等.熱像儀測量物體表面輻射率及誤差分析[J].激光與紅外，2002，32（1）：43-45.

[8]黃龍祥，沈湘衡，宋江濤.基于熱像儀的物體波段發射率的測量[J].激光與紅外，2009，39（2）：159-161.

[9]徐軍，陳益松，甄慧英，等.基于紅外熱像技術的織物紅外發射率測量方法[J].紡織學報，2009，30（9）：42-44.

[10]白敬晨，于慶波，胡賢忠，等.基于紅外熱像儀的物體表面發射率測量方法[J].東北大學學報（自然科學版），2013，34（12）：1747-1750.

[11]劉華，艾青，夏新林，等.毫米級非均勻粗糙表面紅外發射率測量[J].工程熱物理學報，2013，34（2）：317-319.

[12]李園園，屈惠明，劉文俊.基于環境輻射的現場目標發射率測量方法研究[J].激光與紅外，2013，43（3）：272-275.

[13]劉連偉，楊淼淼，樊宏杰，等.一種表面發射率的測量方法研究[J].激光與紅外，2014，44（2）：152-157.

[14]LóPEZ G， BASTERRA L A， ACU?A L， et al.Determination of the emissivity of wood for inspection by infrared thermography[J].J Nondestruct Eval，2013，32（2）：172-176.

（編輯：劉楊）

Match method of emissivity measurement based on infrared thermal imager and surface thermometer

LI Wenjun， XU Yongda， ZHENG Yongjun
（College of Metrology and Measurement Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China）

The temperature measurement with an infrared thermal imager requires the emissivity values of the object.A match method of infrared thermal imager and surface thermometer is given for the measurement of emissivity.The experiment device based on match method is established.With the device，two kinds of insulated rubber tape 3M Scotch Super 88 type and 3M 1721 are heated by a constanttemperature source close to the environmentaltemperature and their emissivity is measured.The experiment results show that measured values are consistent with the literature value.Specific emissivity values of samples are given in different temperature range.The emissivity values can be used as reference data in engineering measurement of infrared thermal imager.

infrared thermal imager； surface thermometer； emissivity； match method

A

1674-5124（2017）06-0012-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.06.003

2016-11-21；

2016-12-18

國家質量監督檢驗檢疫總局質檢公益性行業科研專項（201410133）

李文軍（1970-），男，山西忻州市人，副教授，碩士，研究方向為熱工參數自動檢測與控制。