利用紅外熱像儀進行物體表面波段法向發射率測量*

李巖峰,張志杰,2*,趙晨陽,郝曉劍,2

(1.中北大學儀器與電子學院,太原 030051;2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051)

利用紅外熱像儀進行物體表面波段法向發射率測量*

李巖峰1,張志杰1,2*,趙晨陽1,郝曉劍1,2

(1.中北大學儀器與電子學院,太原 030051;2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051)

輻射測溫法以其響應速度快、測溫范圍廣的特點得到廣泛應用,發射率是影響輻射測溫精度的主要參數。實際條件中,不同物體、相同物體不同表面溫度及表面狀況其發射率是不同的。為獲得實際物體的表面波段法向發射率,提高測溫精度,采用紅外熱像儀對其進行測量。在介紹紅外熱像儀測溫原理的基礎上,通過分析得出紅外熱像儀測量發射率的方法。由于紅外熱像儀探測器、工作波段和測溫范圍的不同,發射率計算公式中n值也是不同的,對應用的紅外熱像儀在不同測溫范圍內的n值進行了計算。應用紅外熱像儀和比色測溫儀對高溫陶瓷表面波段法向發射率進行了測量,并對其進行了驗證。實驗結果表明該方法測得的表面波段法向發射率是可靠的,其修正后測溫誤差小于1%。

輻射測溫;發射率;紅外熱像儀;比色測溫儀

物體表面發射率定義為實際物體的輻射力與同溫度下黑體輻射力的比值。黑體的輻射力由斯忒藩-玻爾茲曼定理規定。物體表面發射率是表征物體輻射能力的物理量,是影響紅外測溫精度的主要物理參數,其只與發射輻射的物體本身有關,而不涉及外界條件,取決于物質種類、表面溫度和表面狀況[1-3]。

根據波長范圍,發射率可分為全光譜發射率、波段發射率和光譜發射率。一般的紅外測溫儀及熱像儀光電探測器均是接收某一波段內的光譜輻射,故本文對物體表面的波段發射率進行測量。黑體輻射服從蘭貝特定律,但實際物體的定向輻射強度在不同方向上是有變化的,不服從余弦定律,物體表面發射率可分為半球發射率和定向發射率。對于非導體和金屬,從輻射面法向開始在一定角度內,定向發射率基本不變,之后,非導體隨角度的增大定向發射率減小,而金屬則急劇增大。對于大部分可看成漫射體的工程材料,法向發射率可近似代替半球平均發射率,而對于高度磨光表面(表面的不平整尺寸小于投射輻射的波長),應考慮兩者之間的差別。故本文對物體表面的法向發射率進行測量。

紅外熱像儀用于測量溫度高于絕對零度物體的紅外輻射及溫度,可將不可見的紅外圖像轉換為可見的熱像圖[4]。一般工作在大氣窗口波段(2 μm～5 μm,8 μm～14 μm),中低溫紅外熱像儀一般工作在中紅外波段,高溫紅外熱像儀一般在近紅外波段。紅外熱像儀溫度測量的準確性受被測表面的發射率、環境溫度、 大氣溫度、 大氣衰減率、 太陽輻射等的影響[5-7],其中發射率的影響最為顯著。根據不同的原理,發射率的測量方法可分為為量熱法、 反射計法、 輻射能量法和多波長測量法等[8-10],這些方法的實現比較復雜,且有各自的缺點。為提高裝置的利用率,本文根據紅外熱像儀的測溫原理,研究應用其進行物體發射率測量的方法[11]。

1 熱像儀測溫原理

物體表面溫度是其紅外輻射能量及波長的函數,通過對物體表面輻射能的測量,可得到物體的表面溫度。紅外熱像儀就是通過接收物體某波段內的熱輻射來確定物體表面溫度分布的。所接收的紅外輻射不僅包含被測物體表面的紅外輻射,還包括物體對環境的反射輻射,大氣輻射及熱像儀內部的熱輻射。綜合各種因素,被測物體表面的等效輻射亮度為:

Lλ(Tr)=τa·ε·Lbλ(T0)+τa·(1-α)·Lbλ(Tu)+
εa·Lbλ(Ta)+Lh

(1)

式中:Tr為紅外熱像儀所測輻射溫度,T0為物體表面溫度,Tu為環境溫度,Ta為大氣溫度,ε為物體表面發射率,εa為大氣發射率,τa為大氣透射率,α為物體表面吸收率。

式(1)中:第1部分為物體表面光譜輻射亮度,第2部分為物體反射環境光譜亮度,第3部分為大氣輻射亮度,第4部分為紅外熱像儀內部熱輻射亮度。一般紅外熱像儀內部補償了儀器的熱輻射,所以可略去第4項。當測溫距離較近時,大氣的透射率近似為1,即τa=1,且εa=0。對于大多數情況下的物體,在紅外熱像儀工作波段內可視為漫灰體,故其表面吸收率α是一個與波長無關的常數。同時,基于基爾霍夫定律,對于漫灰體,不論投入輻射是否來自黑體,是否處于熱平衡條件,其吸收率恒等于同溫度下的發射率,即α=ε。故式(1)可轉換為:

Lλ(Tr)=ε·Lbλ(T0)+(1-ε)·Lbλ(Tu)

(2)

所測發射率為法向發射率,被測物體紅外輻射垂直照射紅外熱像儀,且由蘭貝特定律和斯忒藩-玻爾茲曼定律,物體的輻射力等于定向輻射強度的π倍,則紅外熱像儀所受輻射照度為:

Eλ=A0·Ebλ·π-1·l-2

(3)

式中:A0為熱像儀最小空間張角所對應的目標的可視面積,l為物體到紅外熱像儀的距離,Ebλ為物體的光譜輻射力。

由于紅外熱像儀通常是工作在某一波段上,由普朗克定律可得,紅外熱像儀所受輻射功率為:

(4)

式中:AL為紅外熱像儀入射孔徑,Rλ為儀器的光譜響應度。

f(Tr)=ε·f(T0)+(1-ε)·f(Tu)

(5)

由式(5)可得物體表面波段法向發射率的表達式:

(6)

(7)

不同型號的紅外熱像儀由于采用不同的探測器和不同的工作波段,其n值是不同的,且熱像儀的測溫范圍也會影響n的確定,故利用紅外熱像儀進行發射率測量時應注意其n值的選取。文獻[13]中給出了工作波段為2 μm～5 μm和8 μm～13 μm,測溫范圍在中低溫時的n值。

2 高溫物體表面波段法向發射率測量

2.1 n值的確定

紅外熱像儀用于物體表面發射率測量的方法主要有直接測量法、 雙參考體法、 雙溫度測量法、雙背景法等。后3種方法中,都需要用到物體輻射能隨溫度變化的冪次關系,故n的取值是至關重要的。上文已指出,紅外熱像儀的類型、工作波段和測溫范圍對n值的確定有重要影響。文獻[14]得出3種類型紅外熱像儀的n值:InSb探測器(2 μm～5 μm)n=8.68,HgCdTe探測器(6 μm～9 μm)n=5.33,HgCdTe探測器(8 μm～13 μm)n=4.09,測溫范圍為273 K～473 K。

本文中應用的紅外熱像儀為美國LumaSense公司的MIKRON MCS640短波高溫紅外熱像儀。其主要技術參數如表1所示。

表1 MCS640紅外熱像儀主要技術參數

圖1 1 073 K～1 473 K測溫范圍內擬合的曲線

測溫范圍/Kn值確定系數(R-square)1073～147310.9300.99941473～17739.1060.99961773～22737.3660.99932273～32735.4120.9986

確定系數(R-square)用來評價回歸方程的優劣,越接近1說明曲線擬合的越好。從表2中可以看出,各確定系數均非常接近1,說明近似的方程形式及擬合系數是合理的。圖1為1 073 K～1 473 K測溫范圍內擬合的曲線。

圖2為實際值與擬合曲線的殘差。

圖2 擬合曲線與實際值的殘差

2.2 實驗方法

實驗裝置結構圖如圖3所示。應用美國IRCON公司的Modline 5比色測溫儀測量被測物體表面真實溫度T0,其主要參數如表3所示。同時將紅外熱像儀的測溫子范圍設置為1 073 K～1 473 K,發射率設為1。比色測溫儀和紅外熱像儀同時測量被測物體表面溫度,兩者與被測物體法線成較小的夾角,可認為測量的是其表面法向發射率。根據比色測溫儀的距離系數,可得到一定距離下物體被測區域面積,D為比色測溫儀到被測物體表面的距離。為保證測量結果的準確性,通過在紅外熱像儀溫度分布圖像上劃定相同的區域面積來讀取溫度數據Tr。

測溫范圍距離系數響應時間精度873K～1673KD/10010ms讀數的0.5%+2℃

被測物體為長寬高分別為30 mm×30 mm×5 mm、表面較粗糙的高溫陶瓷塊,通過穩定的氫氧焰對其進行加熱。通過改變氫氧焰的通氣量來改變加熱溫度。對1 073 K～1 473 K溫度范圍內不同溫度下的溫度值進行了測量,環境溫度值為293 K,通過式(7)計算了不同溫度下的發射率,如表4所示。圖4為在780 nm～1 080 nm波段范圍內,波段法向發射率與溫度的關系,發射率值在0.62左右。為驗證所測量的發射率的可靠性,在紅外熱像儀上設置物體發射率為0.62,對不同溫度下高溫陶瓷的表面溫度進行測量,測量結果如表5所示,可以看出,紅外熱像儀的測溫結果更加接近比色測溫儀結果,即更加接近真實值。

表4 實驗數據及結果

圖4 780 nm～1 080 nm波段范圍內波段法向發射率值

紅外熱像儀溫度/K比色測溫儀溫度/K測溫誤差/K11751183-812081213-512641265-1133713343142814217148914818

3 結論

為修正實際應用環境下發射率對輻射測溫精度的影響,通過分析紅外熱像儀的測溫原理,得出了應用紅外熱像儀進行波段法向發射率測量的方法。由于紅外熱像儀探測器、工作波段和測溫范圍的不同,計算波段法向發射率時具有不同的冪次n。本文敘述了n值的計算方法,并對MIKRON MCS640短波高溫紅外熱像儀在不同測溫范圍下的n值進行了計算。應用MIKRON MCS640紅外熱像儀和比色測溫儀對高溫陶瓷在高溫段的波段法向發射率進行了測量,得到了780 nm～1 080 nm波段范圍內的法向發射率,并對其可靠性進行了驗證,實驗結果表明紅外熱像儀的測溫誤差小于1%,證明了該方法的有效性。

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李巖峰(1988-),男,河北石家莊人,博士研究生,主要研究方向為測試計量技術及儀器、動態測試與校準技術,liyanfeng2013@126.com;

張志杰(1965-),男,山西五臺人,教授,博士生導師,主要從事動態測試理論與信號處理、動態誤差及不確定度等方面的研究,zhangzhjie@nuc.edu.cn。

SurfaceBandNormalEmissivityMeasurementUsingInfraredThermalImager*

LIYanfeng1,ZHANGZhijie1,2*,ZHAOChenyang1,HAOXiaojian1,2

(1.School of Instrument and Electronics,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement(North University of China),Ministry of Education,Taiyuan 030051,China)

The radiation thermometry is widely used because of fast response and wide range of temperature measurement,and emissivity is the main parameter that affects the accuracy of radiation thermometry. The emissivity of different objects and same object with different surface temperatures and conditions is different in fact. In order to obtain the surface band normal emissivity of the object and improve the accuracy,infrared thermal imager is used. The temperature measurement principle of infrared thermal imager was introduced,and then the emissivity measurement method was proposed. In view of different detectors,working bands and temperature measurement ranges of infrared thermal imager,the n values are different in emissivity calculation formula. n values for the applied infrared thermal imager in different temperature ranges were calculated. The infrared thermal imager and the colorimetric pyrometer were used to measure the surface band normal emissivity of the high temperature ceramics,and the result was verified. Experimental results show that the band normal emissivity measured by this method is reliable,and the temperature measurement error is less than 1% after correction.

radiation thermometry;emissivity;infrared thermal imager;colorimetric pyrometer

項目來源:國家自然科學基金面上項目(51575499,61473267);技術基礎科研項目(JSJC2013408C009)

2017-03-01修改日期:2017-03-23

TN219

:A

:1004-1699(2017)09-1348-04

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.09.008