專利名稱：一種發(fā)射率現(xiàn)場測量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)量測試領(lǐng)域，特別是一種對物體的發(fā)射率進(jìn)行現(xiàn)場測量的方法。
所謂發(fā)射率就是實(shí)際物體與同溫度黑體在相同條件下熱輻射功率的比值。實(shí)際物體的發(fā)射率與波長、物體的溫度、材料特性及表面的狀態(tài)密切相關(guān)，其數(shù)值只有通過具體的測量才能得知。對于輻射測溫，當(dāng)測得了物體的表觀溫度后，還必須進(jìn)行發(fā)射率的校正，才能得到物體的真實(shí)溫度，目前，物體的表觀溫度的測量精度已經(jīng)達(dá)到了較高的水平，故輻射測溫的精度主要由測量發(fā)射率參數(shù)的精度所決定。
目前，測量發(fā)射率的方法有量熱法、反射率法和能量比較法。量熱法的原理是將被測樣品與周圍相關(guān)物體共同組成一個(gè)熱交換系統(tǒng)，再根據(jù)熱傳導(dǎo)理論導(dǎo)出系統(tǒng)有關(guān)材料發(fā)射率的熱傳導(dǎo)方程，再測出樣品有關(guān)點(diǎn)的溫度值，就能確定系統(tǒng)的熱交換狀態(tài)，從而求出樣品的發(fā)射率。量熱法需要把被測物體制作成較小的樣品，并要測出樣品有關(guān)點(diǎn)的溫度值，不適用于現(xiàn)場測量。
能量比較法的基本原理是在同一溫度下用同一樣探測器在相同條件下分別測量參考黑體及被測物體的輻射功率，兩者之比就是物體的發(fā)射率。參考黑體是這種測量方法的關(guān)鍵，它較大程度地影響這種方法的測量精度。
反射率法的基本原理是根據(jù)能量守恒定律及基爾霍夫定律，只要將已知強(qiáng)度的輻射能投射到被測不透明物體表面上，并測量出表面反射能量，即可求得反射率，從而計(jì)算出發(fā)射率。反射率法不必對被測物體進(jìn)行加工，不需要知道被測物的溫度，從這個(gè)原理出發(fā)，可以發(fā)展為發(fā)射率的現(xiàn)場測量方法。例如，在文獻(xiàn)“利用CO2激光較遠(yuǎn)距離測量物體比輻射率”(張仁華，科學(xué)通報(bào)，第23期，1985年，第1814-1818頁)中，其測量方法就是基于這個(gè)原理上的。但是，該文獻(xiàn)提供的方法為了要消掉復(fù)雜的環(huán)境輻射照度影響，得到物體發(fā)射率信息，一定要保持測量時(shí)環(huán)境輻射不變，并必須建立兩種不同功率的光源照度。
本發(fā)明的目的是提供一種發(fā)射率現(xiàn)場測量的方法，可以獲得在某光譜范圍內(nèi)或某光譜的物體的發(fā)射率，并有較高的測量精度。本方法是進(jìn)行非接觸測量，且不必對被測物進(jìn)行加工和處理，不必測知被測物的溫度。
本方法將主動(dòng)光源置于距參考板/被測物表面的一定距離上，把輻射計(jì)放置在能接收到被反射的主動(dòng)光源輻射的位置上，并固定主動(dòng)光源與輻射計(jì)、被測物/參考板之間的相對位置;主動(dòng)光源產(chǎn)生一束輻射波長為λ的輻射，入射到被測物表面上，輻射計(jì)接收被反射的主動(dòng)光源輻射，這時(shí)輻射計(jì)輸出為V;用參考板在同一位置代替被測物，這時(shí)輻射計(jì)輸出為Vs，設(shè)被測物表面為不透明的朗伯體表面，由于V/Vs＝ρd/ρd8＝(1-εd)/(1-εd8)，則εd＝1-(V/V8)(1-εd8)式中，ρd為被測物體的反射率，ρd8為參考板的反射率，εd為被測物體發(fā)射率，εd8為參考板的發(fā)射率;
本發(fā)明的特征在于對主動(dòng)光源輻射進(jìn)行調(diào)制，并給出同步信號(hào);同步信號(hào)用于相敏檢波，使輻射計(jì)只響應(yīng)被反射的調(diào)制輻射。
先對本發(fā)明的附圖作一點(diǎn)說明

圖1是方向發(fā)射率測量示意圖。圖中1為經(jīng)調(diào)制的主動(dòng)光源，2為輻射計(jì)，3為主動(dòng)光源及輻射計(jì)與被測物/參考板之間的距離，4為被測物，5為參考板。
圖2為本發(fā)明方法的一個(gè)實(shí)施例的方塊示意圖。其中6為光源，7為驅(qū)動(dòng)電路，8為振蕩電路，9為同步信號(hào)，10為輻射計(jì)光學(xué)系統(tǒng)，11為探測器及其放大電路，12為濾波器，13為相敏檢波電路，14為直流放大，15為單片機(jī)，分別對兩信號(hào)進(jìn)行采樣，運(yùn)算，16為發(fā)射率顯示打印機(jī)構(gòu)，17為參考板定標(biāo)信號(hào)存儲(chǔ)。
本發(fā)明發(fā)明人推薦如下最佳實(shí)施例。
參見附圖，根據(jù)本方法實(shí)施的裝置由調(diào)制光源、輻射計(jì)和方向反射率參考板組成。
調(diào)制光源部分的作用是產(chǎn)生一束所需光譜成份的調(diào)制輻射光束及同步信號(hào)。光源6采用了砷化鎵發(fā)光二極管，輻射波長為0.94微米，在發(fā)光二極管前置放一石英透鏡，可得到視場角為3.4度的出射光束。采用電調(diào)制的方式調(diào)制光源輻射。其電路部分先由振蕩電路8產(chǎn)生一個(gè)頻率為1.3千赫的脈沖信號(hào)，經(jīng)放大后送到發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電路7，使發(fā)光二極管產(chǎn)生一束頻率為1.3千赫的調(diào)制輻射光束，同時(shí)給出調(diào)制同步信號(hào)9。
輻射計(jì)部分的作用是接收被反射的調(diào)制輻射能量。采用了硅光電二極管接收0.94微米的反射調(diào)制輻射，光電二極管前加一石英透鏡，組成接收視場為5.2度的光學(xué)系統(tǒng)10，硅光電二極管及其輸出的電信號(hào)經(jīng)其放大電路11和濾波電路12，然后由調(diào)制光源部分給出的調(diào)制同步信號(hào)9同步解調(diào)，即通過相敏檢波13，產(chǎn)生一個(gè)與入射調(diào)制輻射能量成正比的直流電壓信號(hào)，經(jīng)直流放大14至單片機(jī)15，分別對被測物和參考板的信號(hào)進(jìn)行采樣、運(yùn)算。再由打印顯示裝置16把發(fā)射率數(shù)據(jù)打印和顯示出來。
通過控制入射輻射的光譜成分及輻射計(jì)的光譜響應(yīng)，還可以測量各種光譜或光譜范圍的發(fā)射率。
發(fā)射率參考板為不透明朗伯體，其反射率和發(fā)射率在各個(gè)方向上均相等，并且有其發(fā)射率等于壹減去反射率。將參考板的定標(biāo)信號(hào)17進(jìn)行存儲(chǔ)，與單片機(jī)15聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)，則測量被測物的發(fā)射率時(shí)，可免去將參考板放在被測物位置測量反射調(diào)制輻射，而直接把被測物反射調(diào)制輻射與定標(biāo)信號(hào)相比較運(yùn)算，即可得到被測物的發(fā)射率。參考板按發(fā)射率的大小分三檔實(shí)施，即發(fā)射分別為0.10-0.30，0.30-0.60，0.60-0.99的低、中、高三檔，這樣，可適用于很寬范圍的發(fā)射率的測量。
本發(fā)明方法有如下積極效果與優(yōu)點(diǎn)1、因采用了相敏檢波，使信噪比顯著提高，提高了測量靈敏度。
2、由于采用了調(diào)制光源，使得輻射計(jì)只響應(yīng)調(diào)制輻射，對環(huán)境輻射和被測物的自射輻射不響應(yīng)。故這種方法可在任何復(fù)雜環(huán)境輻射下工作，也可以對任何溫度的物體進(jìn)行發(fā)射率測量。
3、整個(gè)測量過程是非接觸的，不破壞原有溫度場，完全適用于現(xiàn)場測量。本方法采用了非封閉的測量方式，可以較遠(yuǎn)距離測量，也可以在線測量。
4、通過控制入射輻射的光譜成份及輻射計(jì)的光譜響應(yīng)，可以測量各種光譜及光譜范圍的方向發(fā)射率。
5、可測的發(fā)射率范圍很寬。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)射率現(xiàn)場測量的方法，其中包括1.1、將主動(dòng)光源置于距被測物參考板表面的一定距離上，把輻射計(jì)放置在能接收到被反射的主動(dòng)光源輻射的位置上，并固定主動(dòng)光源與輻射計(jì)、被測物/參考板三者之間的相對位置；1.2、主動(dòng)光源產(chǎn)生一束輻射波長為λ的輻射，入射到被測物表面上，輻射計(jì)接收被反射的主動(dòng)光源輻射，這時(shí)輻射計(jì)輸出為V；1.3、用參考板在同一位置代替被測物，這時(shí)輻射計(jì)輸出為VS；1.4、計(jì)算被測物的發(fā)射率，因?yàn)閂/VS=ρd/ρds=(1-εd)/(1-εd8)，則被測物體的發(fā)射率為δd=1-(V/V8)(1-εd8)式中，ρd為被測物體的反射率，ρD6為參考板的反射率，εd為被測物體的發(fā)射率，εD8為參考板的發(fā)射率；其特征在于1.5、對主動(dòng)光源輻射進(jìn)行調(diào)制，并給出同步信號(hào)；1.6、同步信號(hào)用于相敏檢波，使輻射計(jì)只響應(yīng)被反射的調(diào)制輻射。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種發(fā)射率現(xiàn)場測量的新方法。它是把經(jīng)過調(diào)制的一定波長的輻射光束入射到被測物表面，采用相敏檢波方法處理信號(hào)的輻射計(jì)接收被反射的調(diào)制輻射，再與發(fā)射率參考板的信號(hào)進(jìn)行比較和運(yùn)算，得到被測物的發(fā)射率。因輻射計(jì)對環(huán)境輻射和被測物的自身輻射完全不響應(yīng)，故這種方法可在任何復(fù)雜的輻射環(huán)境下工作，也可對任何溫度的物體進(jìn)行發(fā)射率測量。通過控制入射輻射的光譜成分及輻射計(jì)的光譜響應(yīng)，還可測量各種光譜及光譜范圍的發(fā)射率。
文檔編號(hào)G01N21/25GK1059205SQ9110741
公開日1992年3月4日 申請日期1991年5月30日 優(yōu)先權(quán)日1991年5月30日
發(fā)明者張才根, 李琦 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所