利用紅外熱像儀進(jìn)行物體表面波段法向發(fā)射率測(cè)量*

李巖峰,張志杰,2*,趙晨陽(yáng),郝曉劍,2

(1.中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院,太原 030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

利用紅外熱像儀進(jìn)行物體表面波段法向發(fā)射率測(cè)量*

李巖峰1,張志杰1,2*,趙晨陽(yáng)1,郝曉劍1,2

(1.中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院,太原 030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

輻射測(cè)溫法以其響應(yīng)速度快、測(cè)溫范圍廣的特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用,發(fā)射率是影響輻射測(cè)溫精度的主要參數(shù)。實(shí)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(fā)射率是不同的。為獲得實(shí)際物體的表面波段法向發(fā)射率,提高測(cè)溫精度,采用紅外熱像儀對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。在介紹紅外熱像儀測(cè)溫原理的基礎(chǔ)上,通過(guò)分析得出紅外熱像儀測(cè)量發(fā)射率的方法。由于紅外熱像儀探測(cè)器、工作波段和測(cè)溫范圍的不同,發(fā)射率計(jì)算公式中n值也是不同的,對(duì)應(yīng)用的紅外熱像儀在不同測(cè)溫范圍內(nèi)的n值進(jìn)行了計(jì)算。應(yīng)用紅外熱像儀和比色測(cè)溫儀對(duì)高溫陶瓷表面波段法向發(fā)射率進(jìn)行了測(cè)量,并對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法測(cè)得的表面波段法向發(fā)射率是可靠的,其修正后測(cè)溫誤差小于1%。

輻射測(cè)溫;發(fā)射率;紅外熱像儀;比色測(cè)溫儀

物體表面發(fā)射率定義為實(shí)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(guī)定。物體表面發(fā)射率是表征物體輻射能力的物理量,是影響紅外測(cè)溫精度的主要物理參數(shù),其只與發(fā)射輻射的物體本身有關(guān),而不涉及外界條件,取決于物質(zhì)種類、表面溫度和表面狀況[1-3]。

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

紅外熱像儀用于測(cè)量溫度高于絕對(duì)零度物體的紅外輻射及溫度,可將不可見(jiàn)的紅外圖像轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)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(cè)量的準(zhǔn)確性受被測(cè)表面的發(fā)射率、環(huán)境溫度、 大氣溫度、 大氣衰減率、 太陽(yáng)輻射等的影響[5-7],其中發(fā)射率的影響最為顯著。根據(jù)不同的原理,發(fā)射率的測(cè)量方法可分為為量熱法、 反射計(jì)法、 輻射能量法和多波長(zhǎng)測(cè)量法等[8-10],這些方法的實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜,且有各自的缺點(diǎn)。為提高裝置的利用率,本文根據(jù)紅外熱像儀的測(cè)溫原理,研究應(yīng)用其進(jìn)行物體發(fā)射率測(cè)量的方法[11]。

1 熱像儀測(cè)溫原理

物體表面溫度是其紅外輻射能量及波長(zhǎng)的函數(shù),通過(guò)對(duì)物體表面輻射能的測(cè)量,可得到物體的表面溫度。紅外熱像儀就是通過(guò)接收物體某波段內(nèi)的熱輻射來(lái)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(cè)物體表面的紅外輻射,還包括物體對(duì)環(huán)境的反射輻射,大氣輻射及熱像儀內(nèi)部的熱輻射。綜合各種因素,被測(cè)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(cè)輻射溫度,T0為物體表面溫度,Tu為環(huán)境溫度,Ta為大氣溫度,ε為物體表面發(fā)射率,εa為大氣發(fā)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(huán)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(nèi)部熱輻射亮度。一般紅外熱像儀內(nèi)部補(bǔ)償了儀器的熱輻射,所以可略去第4項(xiàng)。當(dāng)測(cè)溫距離較近時(shí),大氣的透射率近似為1,即τa=1,且εa=0。對(duì)于大多數(shù)情況下的物體,在紅外熱像儀工作波段內(nèi)可視為漫灰體,故其表面吸收率α是一個(gè)與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的常數(shù)。同時(shí),基于基爾霍夫定律,對(duì)于漫灰體,不論投入輻射是否來(lái)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(fā)射率,即α=ε。故式(1)可轉(zhuǎn)換為:

Lλ(Tr)=ε·Lbλ(T0)+(1-ε)·Lbλ(Tu)

(2)

所測(cè)發(fā)射率為法向發(fā)射率,被測(cè)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(qiáng)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(duì)應(yīng)的目標(biāo)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(yīng)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(fā)射率的表達(dá)式:

(6)

(7)

不同型號(hào)的紅外熱像儀由于采用不同的探測(cè)器和不同的工作波段,其n值是不同的,且熱像儀的測(cè)溫范圍也會(huì)影響n的確定,故利用紅外熱像儀進(jìn)行發(fā)射率測(cè)量時(shí)應(yīng)注意其n值的選取。文獻(xiàn)[13]中給出了工作波段為2 μm～5 μm和8 μm～13 μm,測(cè)溫范圍在中低溫時(shí)的n值。

2 高溫物體表面波段法向發(fā)射率測(cè)量

2.1 n值的確定

紅外熱像儀用于物體表面發(fā)射率測(cè)量的方法主要有直接測(cè)量法、 雙參考體法、 雙溫度測(cè)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(guān)系,故n的取值是至關(guān)重要的。上文已指出,紅外熱像儀的類型、工作波段和測(cè)溫范圍對(duì)n值的確定有重要影響。文獻(xiàn)[14]得出3種類型紅外熱像儀的n值:InSb探測(cè)器(2 μm～5 μm)n=8.68,HgCdTe探測(cè)器(6 μm～9 μm)n=5.33,HgCdTe探測(cè)器(8 μm～13 μm)n=4.09,測(cè)溫范圍為273 K～473 K。

本文中應(yīng)用的紅外熱像儀為美國(guó)LumaSense公司的MIKRON MCS640短波高溫紅外熱像儀。其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 MCS640紅外熱像儀主要技術(shù)參數(shù)

圖1 1 073 K～1 473 K測(cè)溫范圍內(nèi)擬合的曲線

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

確定系數(shù)(R-square)用來(lái)評(píng)價(jià)回歸方程的優(yōu)劣,越接近1說(shuō)明曲線擬合的越好。從表2中可以看出,各確定系數(shù)均非常接近1,說(shuō)明近似的方程形式及擬合系數(shù)是合理的。圖1為1 073 K～1 473 K測(cè)溫范圍內(nèi)擬合的曲線。

圖2為實(shí)際值與擬合曲線的殘差。

圖2 擬合曲線與實(shí)際值的殘差

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。應(yīng)用美國(guó)IRCON公司的Modline 5比色測(cè)溫儀測(cè)量被測(cè)物體表面真實(shí)溫度T0,其主要參數(shù)如表3所示。同時(shí)將紅外熱像儀的測(cè)溫子范圍設(shè)置為1 073 K～1 473 K,發(fā)射率設(shè)為1。比色測(cè)溫儀和紅外熱像儀同時(shí)測(cè)量被測(cè)物體表面溫度,兩者與被測(cè)物體法線成較小的夾角,可認(rèn)為測(cè)量的是其表面法向發(fā)射率。根據(jù)比色測(cè)溫儀的距離系數(shù),可得到一定距離下物體被測(cè)區(qū)域面積,D為比色測(cè)溫儀到被測(cè)物體表面的距離。為保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性,通過(guò)在紅外熱像儀溫度分布圖像上劃定相同的區(qū)域面積來(lái)讀取溫度數(shù)據(jù)Tr。

測(cè)溫范圍距離系數(shù)響應(yīng)時(shí)間精度873K～1673KD/10010ms讀數(shù)的0.5%+2℃

被測(cè)物體為長(zhǎng)寬高分別為30 mm×30 mm×5 mm、表面較粗糙的高溫陶瓷塊,通過(guò)穩(wěn)定的氫氧焰對(duì)其進(jìn)行加熱。通過(guò)改變氫氧焰的通氣量來(lái)改變加熱溫度。對(duì)1 073 K～1 473 K溫度范圍內(nèi)不同溫度下的溫度值進(jìn)行了測(cè)量,環(huán)境溫度值為293 K,通過(guò)式(7)計(jì)算了不同溫度下的發(fā)射率,如表4所示。圖4為在780 nm～1 080 nm波段范圍內(nèi),波段法向發(fā)射率與溫度的關(guān)系,發(fā)射率值在0.62左右。為驗(yàn)證所測(cè)量的發(fā)射率的可靠性,在紅外熱像儀上設(shè)置物體發(fā)射率為0.62,對(duì)不同溫度下高溫陶瓷的表面溫度進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量結(jié)果如表5所示,可以看出,紅外熱像儀的測(cè)溫結(jié)果更加接近比色測(cè)溫儀結(jié)果,即更加接近真實(shí)值。

表4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果

圖4 780 nm～1 080 nm波段范圍內(nèi)波段法向發(fā)射率值

紅外熱像儀溫度/K比色測(cè)溫儀溫度/K測(cè)溫誤差/K11751183-812081213-512641265-1133713343142814217148914818

3 結(jié)論

為修正實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下發(fā)射率對(duì)輻射測(cè)溫精度的影響,通過(guò)分析紅外熱像儀的測(cè)溫原理,得出了應(yīng)用紅外熱像儀進(jìn)行波段法向發(fā)射率測(cè)量的方法。由于紅外熱像儀探測(cè)器、工作波段和測(cè)溫范圍的不同,計(jì)算波段法向發(fā)射率時(shí)具有不同的冪次n。本文敘述了n值的計(jì)算方法,并對(duì)MIKRON MCS640短波高溫紅外熱像儀在不同測(cè)溫范圍下的n值進(jìn)行了計(jì)算。應(yīng)用MIKRON MCS640紅外熱像儀和比色測(cè)溫儀對(duì)高溫陶瓷在高溫段的波段法向發(fā)射率進(jìn)行了測(cè)量,得到了780 nm～1 080 nm波段范圍內(nèi)的法向發(fā)射率,并對(duì)其可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明紅外熱像儀的測(cè)溫誤差小于1%,證明了該方法的有效性。

[1] 楊世銘,陶文銓. 傳熱學(xué)[M]. 北京:高等教育出版社,2006:351-372.

[2] 原遵東. 輻射溫度計(jì)的等效波長(zhǎng)及其應(yīng)用[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào),2009,30(2):374-379.

[3] 孫元,彭小奇. 基于彩色CCD的雙色與三色比色測(cè)溫法比較研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2015,28(8):1184-1187.

[4] 張強(qiáng),王海艦,王兆,等. 基于紅外熱像檢測(cè)的截齒煤巖截割特性與閃溫分析[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2016,29(5):686-692.

[5] 李云紅,孫曉剛,原桂彬. 紅外熱像儀精確測(cè)溫技術(shù)[J]. 光學(xué)精密工程,2007,15(9):1336-1341.

[6] 李云紅. 基于紅外熱像儀的溫度測(cè)量技術(shù)及其應(yīng)用研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010.

[7] 李云紅,張龍,王延年,等. 紅外熱像儀外場(chǎng)測(cè)溫的大氣透過(guò)率二次標(biāo)定[J]. 光學(xué)精密工程,2010,18(10):2143-2149.

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

[9] 白敬晨,于慶波,胡賢忠,等. 基于紅外熱像儀的物體表面發(fā)射率測(cè)量方法[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,34(12):1747-1750.

[10] 王中任,黎冬陽(yáng),阮班超,等. 金屬反光表面的發(fā)射率的測(cè)定實(shí)驗(yàn)研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2016(6):226-228.

[11] Philippe Herve,Julie Cedelle,Lonut Negreanu. Infrared Technique for Simultaneous Determination of Temperature and Emissivity[J]. Infrared Physics and Technology,2012,55(1):1-10.

[12] 張健,楊立,劉慧開(kāi). 環(huán)境高溫物體對(duì)紅外熱像儀測(cè)溫誤差的影響[J]. 紅外技術(shù),2005,27(5):419-422.

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

[14] Terumi Inagaki,Yoshizo Okamoto. Surface Temperature Measurement Nearambient Conditions Using Infrared Radiometers with Differentdetection Wavelength Bands by Applying a Grey-Body Approximation:Estimation of Radiation Properties for Non-Metalsurfaces[J]. NDT & E International,1996,29(6):363-369.

李巖峰(1988-),男,河北石家莊人,博士研究生,主要研究方向?yàn)闇y(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器、動(dòng)態(tài)測(cè)試與校準(zhǔn)技術(shù),liyanfeng2013@126.com;

張志杰(1965-),男,山西五臺(tái)人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事動(dòng)態(tài)測(cè)試?yán)碚撆c信號(hào)處理、動(dòng)態(tài)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(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51575499,61473267);技術(shù)基礎(chǔ)科研項(xiàng)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