一種發(fā)射率的測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于輻射測溫技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種發(fā)射率的測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 各種物質(zhì)表面的發(fā)射率（也稱輻射率、黑度系數(shù)等）是表征物質(zhì)表面輻射本領(lǐng)的 物理量，是一項重要的熱物性參數(shù)。在很多重要的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域都具有重要的意義。
[0003] 物體發(fā)射率是利用紅外輻射進行非接觸溫度測量的關(guān)鍵參數(shù)，沒有準(zhǔn)確的物體發(fā) 射率，就不可能利用紅外熱像儀獲得真實可靠的測量結(jié)果。物體的發(fā)射率很難事先通過實 驗的方法獲得。根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律：任何溫度高于絕對零度的物體都會向周圍空 間發(fā)射紅外輻射，即周圍環(huán)境的輻射干擾不可避免地影響測量結(jié)果，這就構(gòu)成了紅外熱成 像技術(shù)所固有的復(fù)雜性。紅外熱像儀實際上測量的并不是物體的真實溫度，而是輻射溫度。 輻射溫度雖然經(jīng)過了大氣傳輸因子等的修正，但它與物體表面的真實溫度之間仍存在一定 的差異。只有知道物體的發(fā)射率，才能求出物體的真實溫度。
[0004] 近年來，由于軍事技術(shù)、國防技術(shù)、材料技術(shù)及能源技術(shù)的快速發(fā)展，對發(fā)射率的 測量越來越提出了更高的要求。材料發(fā)射率測量技術(shù)已經(jīng)有很久的歷史，國內(nèi)外很多研究 者都已投身到這項研究工作中來，已取得了一些有效的進展。例如現(xiàn)有的雙參考體法、雙溫 度法、雙背景法，這三種高精度測量發(fā)射率的方法均能有效地消除影響發(fā)射率的測量誤差， 包括由測量目標(biāo)真實溫度和背景溫度的誤差導(dǎo)致的誤差，對于一種給定材料用這三種方法 測量出的發(fā)射率誤差均在±0.02左右。但從整體上說，這些測試方法的測量精度仍然不能 滿足精確測溫的場合下對物體發(fā)射率的要求，由這些方法得到的發(fā)射率計算出的物體的真 實溫度也會有一定的誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種發(fā)射率的測量方法，該方法能將測量出的發(fā)射率精度控 制在需要的精度內(nèi)，解決了現(xiàn)有發(fā)射率測量方法不能滿足對物體發(fā)射率的測量精確度要求 的問題。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種發(fā)射率的測量方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟一，建立優(yōu)化的發(fā)射率測量模型。
[0008] 步驟二，使用優(yōu)化的發(fā)射率測量模型測量待測物體的發(fā)射率。
[0009] 其中，步驟一具體按照以下子步驟實施：
[0010] 步驟1，建立初始發(fā)射率測量模型。
[0011] 以黑體作為參考，確定紅外熱像儀的標(biāo)定曲線
[0012]
[0013] 式中A、B、F是標(biāo)定常數(shù)，A
是探測器的響應(yīng)因子，B是光譜因子，F(xiàn)是探測器的形 狀因子，T是黑體的絕對溫度，e為發(fā)射率測量模型的目標(biāo)精度。
[0014] 根據(jù)紅外物理的輻射定律及式（1)得到初始發(fā)射率測量模型為
[0015]
[0016] 式中，e。是物體的發(fā)射率，紅外探測器接收到的熱輻射itot，1_為物體的絕對溫 度下物體本身的紅外輻射，為環(huán)境的絕對溫度下物體對環(huán)境的反射輻射。
[0017] 步驟2,選擇與待測物體同種材料的物體作實驗物體，查找材料發(fā)射率手冊中實驗 物體的發(fā)射率值，將其設(shè)定為實驗物體的發(fā)射率估計值e'p
[0018] 步驟3,由發(fā)射率估計值e' ^計算實驗物體的設(shè)定溫度T"
[0019] 步驟4,將實驗物體放入黑體爐，同時將黑體爐的溫度設(shè)定為T" 當(dāng)黑體爐的 溫度穩(wěn)定后，用熱電偶或精密溫度計讀取此時測定黑體爐內(nèi)的實驗物體溫度1^以及黑體 爐外的環(huán)境溫度?。籢迅速打開黑體爐的箱蓋，利用紅外熱像儀捕獲實驗物體的熱像，得到 實驗物體的熱輻射itot。
[0020] 步驟5,將實驗物體熱輻射itot、實驗物體溫度T&以及環(huán)境溫度T_帶入式（4)， 求得實驗物體的發(fā)射率e。。
[0021] 步驟6,比較實驗物體的發(fā)射率％與發(fā)射率估計值e' ^，如果￡。>e' ^，則 優(yōu)化結(jié)束；如果￡。<e' ^，則重新設(shè)定發(fā)射率估計值e' ^，再次執(zhí)行步驟2-步驟5,直 至￡。>e '。時優(yōu)化結(jié)束，得到優(yōu)化的發(fā)射率測量模型。
[0022] 本發(fā)明還具有以下特點：
[0023] 1、步驟1建立初始發(fā)射率測量模型的具體方法為：
[0024] 以黑體作為參考，確定紅外熱像儀的標(biāo)定曲線
[0025] -
[0026] 紅外探測器接收到的熱輻射表示為
[0027] itot=iobj+isur+iatm+i^g
[0028] = 丁。?e。?Ib(Tobj)+t。?（1-e。）?ea ?Ib(Tsur) + (l_t。）?Ib(Tatm)+iimg (2)
[0029] 式中，'為物體本身的紅外輻射，i_為物體對環(huán)境的反射輻射，iatni為大氣的透 射輻射，i1Blg為掃描器內(nèi)部的熱輻射，e^是物體的發(fā)射率、ea是環(huán)境的發(fā)射率，t。為大氣 透射率和Tatj別為物體的絕對溫度、環(huán)境的絕對溫度和大氣的絕對溫度，當(dāng)用于 低溫物體的溫度測量時，從itot中扣除大氣、環(huán)境和掃描器等的熱輻射，由于在儀器內(nèi)部補 償了掃描器的熱輻射iinig，所以式（2)中可以略去1_項。在均勻環(huán)境輻射條件下，物體輻射 可以等效為 ￡a= 1、溫度為T的黑體福射，由式（1)可得I。[^=Ibdbj)，ISUr=Ib(U。 將e。作為待求參數(shù)，由式（2)可得
[0030]
[0031] 當(dāng)紅外熱像儀的工作距離d彡1. 0m時，t。十分接近1，則可忽略iatn，于是物體的 發(fā)射率測量模型為
[0032]
[0033] 2、步驟2中發(fā)射率估計值e'。也可以設(shè)定為0.05。
[0034]3、步驟3中由發(fā)射率估計值e'^計算實驗物體的設(shè)定溫度T"_，具體包括以 下子步驟：
[0035]步驟3-1，根據(jù)紅外熱像儀的標(biāo)定曲線式（1)得到 [0036；
[0037；
[0038] 由于發(fā)射率的計算要控制在目標(biāo)精度范圍內(nèi)，S卩<e貝1J名'G_?
[0040] 由式⑷和（7)可以求得 [0041 ]
[0039] (:7)
[0042]根據(jù)式（5)、式（6)和式⑶得到，在標(biāo)定環(huán)境下，實驗物體的溫度
[0043]
[0044] 步驟3-2,考慮到環(huán)境溫度的波動，則取物體的設(shè)定溫度
[0045]
[0046] 式中，AT為環(huán)境溫度的波動，0. 5°C彡AK1°C。
[0047] 4、步驟6中所述重新設(shè)定發(fā)射率估計值e' ^的具體方法為，在步驟5得到的實 驗物體的發(fā)射率e。值的基礎(chǔ)上減小0. 001，將減小后的數(shù)值設(shè)定為發(fā)射率估計值e'。。
[0048] 優(yōu)化好的發(fā)射率測量模型可以直接用于測量物體的發(fā)射率，在實際應(yīng)用中，物體 的發(fā)射率可以認(rèn)為是其位置的函數(shù)％(x，y)，這時只需用紅外熱像儀獲取物體表面的一幅 熱像，就可以算出物體表面不同位置的發(fā)射率e。。
[0049] 在實際應(yīng)用中，由于不同物體的輻射能量是不同的，因此用紅外探測器接收到的 輻射值也是不同，因此測量不同材料物體的發(fā)射率值時，需要更換實驗物體，重新執(zhí)行步驟 2-6,對測量模型重新優(yōu)化。
[0050] 本發(fā)明的有益效果是：
[0051] (1)本發(fā)明的發(fā)射率的測量方法優(yōu)化了發(fā)射率測量模型，優(yōu)化方法簡單快捷，在任 何表面狀態(tài)和溫度下，只要采集到該狀態(tài)下目標(biāo)的光譜輻射量，就可以訓(xùn)練出該目標(biāo)的發(fā) 射率。
[0052] (2)本發(fā)明的發(fā)射率的測量方法考慮了包括被測物體吸收率，大氣透過率，大氣溫 度和環(huán)境溫度等因素對紅外熱像儀測溫的影響，從而獲其對發(fā)射率的影響函數(shù)關(guān)系，使發(fā) 射率的計算更加準(zhǔn)確。
[0053] (3)本發(fā)明的發(fā)射率的測量方法通過對紅外熱像儀精確測溫理論進行深入的研 究，對其不確定度進行精確分析，從而得出在不同環(huán)境、一定溫度范圍內(nèi)、某類特定探測器 下客觀精確的發(fā)射率測量模型，目的為縮小測溫誤差。
[0054] (4)本發(fā)明的發(fā)射率的測量方法可以將測量模型的優(yōu)化至任何想要達(dá)到的目標(biāo)精 度e，使發(fā)射率的計算更加準(zhǔn)確。
【附圖說明】
[0055]圖1是本發(fā)明的發(fā)射率的測量方法優(yōu)化發(fā)射率測量模型的方法；
[0056] 圖2是紅外輻射示意圖；
[0057] 圖3是利用紅外熱像技術(shù)測量物體發(fā)射率的一般測量環(huán)境。
【具體實施方式】
[0058] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)說明。
[0059] 本發(fā)明提供了一種發(fā)射率的測量方法，參考圖1，包括以下步驟：
[0060] 步驟1，建立初始發(fā)射率測量模型
[0061 ] 以黑體作為參考，確定紅外熱像儀的標(biāo)定曲線
[0062]
[0063] 式中A、B、F是標(biāo)定常數(shù)，A是探測器的響應(yīng)因子，B是光譜因子，F(xiàn)是探測器的形 狀因子，T是黑體的絕對溫度，e為發(fā)射率測量模型的目標(biāo)精度，在0. 01-0. 02之間取值。
[0064] 參考圖2、圖3,紅外探測器所接收的熱輻射能量itot不僅包括來自物體本身的紅 外輻射，還包括物體對環(huán)境的反射輻射i_、大氣的透射輻射iatn和掃描器內(nèi)部的熱輻射 i胃等，所以紅外探測器接收到的熱輻射表示為
[0065] it〇t= 1 obj + isur+iatm+lirng
[0066] = 丁。?e。?Ib(Tobj)+t。?（1-e。）?ea ?Ib(Tsur) + (l_t。）?Ib(Tatm)+iimg (2)
[0067] 式中，e。是物體的發(fā)射率、ea是環(huán)境的發(fā)射率，t。為大氣透射率， 分別為物體、環(huán)境和大氣的絕對溫度。當(dāng)用于低溫物體的溫度測量時，為了準(zhǔn)確測溫