利用红外热像仪进行物体表面波段法向发射率测量*

李岩峰,张志杰,2*,赵晨阳,郝晓剑,2

(1.中北大学仪器与电子学院,太原 030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051)

利用红外热像仪进行物体表面波段法向发射率测量*

李岩峰1,张志杰1,2*,赵晨阳1,郝晓剑1,2

(1.中北大学仪器与电子学院,太原 030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051)

辐射测温法以其响应速度快、测温范围广的特点得到广泛应用,发射率是影响辐射测温精度的主要参数。实际条件中,不同物体、相同物体不同表面温度及表面状况其发射率是不同的。为获得实际物体的表面波段法向发射率,提高测温精度,采用红外热像仪对其进行测量。在介绍红外热像仪测温原理的基础上,通过分析得出红外热像仪测量发射率的方法。由于红外热像仪探测器、工作波段和测温范围的不同,发射率计算公式中n值也是不同的,对应用的红外热像仪在不同测温范围内的n值进行了计算。应用红外热像仪和比色测温仪对高温陶瓷表面波段法向发射率进行了测量,并对其进行了验证。实验结果表明该方法测得的表面波段法向发射率是可靠的,其修正后测温误差小于1%。

辐射测温;发射率;红外热像仪;比色测温仪

物体表面发射率定义为实际物体的辐射力与同温度下黑体辐射力的比值。黑体的辐射力由斯忒藩-玻尔兹曼定理规定。物体表面发射率是表征物体辐射能力的物理量,是影响红外测温精度的主要物理参数,其只与发射辐射的物体本身有关,而不涉及外界条件,取决于物质种类、表面温度和表面状况[1-3]。

根据波长范围,发射率可分为全光谱发射率、波段发射率和光谱发射率。一般的红外测温仪及热像仪光电探测器均是接收某一波段内的光谱辐射,故本文对物体表面的波段发射率进行测量。黑体辐射服从兰贝特定律,但实际物体的定向辐射强度在不同方向上是有变化的,不服从余弦定律,物体表面发射率可分为半球发射率和定向发射率。对于非导体和金属,从辐射面法向开始在一定角度内,定向发射率基本不变,之后,非导体随角度的增大定向发射率减小,而金属则急剧增大。对于大部分可看成漫射体的工程材料,法向发射率可近似代替半球平均发射率,而对于高度磨光表面(表面的不平整尺寸小于投射辐射的波长),应考虑两者之间的差别。故本文对物体表面的法向发射率进行测量。

红外热像仪用于测量温度高于绝对零度物体的红外辐射及温度,可将不可见的红外图像转换为可见的热像图[4]。一般工作在大气窗口波段(2 μm～5 μm,8 μm～14 μm),中低温红外热像仪一般工作在中红外波段,高温红外热像仪一般在近红外波段。红外热像仪温度测量的准确性受被测表面的发射率、环境温度、 大气温度、 大气衰减率、 太阳辐射等的影响[5-7],其中发射率的影响最为显著。根据不同的原理,发射率的测量方法可分为为量热法、 反射计法、 辐射能量法和多波长测量法等[8-10],这些方法的实现比较复杂,且有各自的缺点。为提高装置的利用率,本文根据红外热像仪的测温原理,研究应用其进行物体发射率测量的方法[11]。

1 热像仪测温原理

物体表面温度是其红外辐射能量及波长的函数,通过对物体表面辐射能的测量,可得到物体的表面温度。红外热像仪就是通过接收物体某波段内的热辐射来确定物体表面温度分布的。所接收的红外辐射不仅包含被测物体表面的红外辐射,还包括物体对环境的反射辐射,大气辐射及热像仪内部的热辐射。综合各种因素,被测物体表面的等效辐射亮度为:

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

(1)

式中:Tr为红外热像仪所测辐射温度,T0为物体表面温度,Tu为环境温度,Ta为大气温度,ε为物体表面发射率,εa为大气发射率,τa为大气透射率,α为物体表面吸收率。

式(1)中:第1部分为物体表面光谱辐射亮度,第2部分为物体反射环境光谱亮度,第3部分为大气辐射亮度,第4部分为红外热像仪内部热辐射亮度。一般红外热像仪内部补偿了仪器的热辐射,所以可略去第4项。当测温距离较近时,大气的透射率近似为1,即τa=1,且εa=0。对于大多数情况下的物体,在红外热像仪工作波段内可视为漫灰体,故其表面吸收率α是一个与波长无关的常数。同时,基于基尔霍夫定律,对于漫灰体,不论投入辐射是否来自黑体,是否处于热平衡条件,其吸收率恒等于同温度下的发射率,即α=ε。故式(1)可转换为:

Lλ(Tr)=ε·Lbλ(T0)+(1-ε)·Lbλ(Tu)

(2)

所测发射率为法向发射率,被测物体红外辐射垂直照射红外热像仪,且由兰贝特定律和斯忒藩-玻尔兹曼定律,物体的辐射力等于定向辐射强度的π倍,则红外热像仪所受辐射照度为:

Eλ=A0·Ebλ·π-1·l-2

(3)

式中:A0为热像仪最小空间张角所对应的目标的可视面积,l为物体到红外热像仪的距离,Ebλ为物体的光谱辐射力。

由于红外热像仪通常是工作在某一波段上,由普朗克定律可得,红外热像仪所受辐射功率为:

(4)

式中:AL为红外热像仪入射孔径,Rλ为仪器的光谱响应度。

f(Tr)=ε·f(T0)+(1-ε)·f(Tu)

(5)

由式(5)可得物体表面波段法向发射率的表达式:

(6)

(7)

不同型号的红外热像仪由于采用不同的探测器和不同的工作波段,其n值是不同的,且热像仪的测温范围也会影响n的确定,故利用红外热像仪进行发射率测量时应注意其n值的选取。文献[13]中给出了工作波段为2 μm～5 μm和8 μm～13 μm,测温范围在中低温时的n值。

2 高温物体表面波段法向发射率测量

2.1 n值的确定

红外热像仪用于物体表面发射率测量的方法主要有直接测量法、 双参考体法、 双温度测量法、双背景法等。后3种方法中,都需要用到物体辐射能随温度变化的幂次关系,故n的取值是至关重要的。上文已指出,红外热像仪的类型、工作波段和测温范围对n值的确定有重要影响。文献[14]得出3种类型红外热像仪的n值:InSb探测器(2 μm～5 μm)n=8.68,HgCdTe探测器(6 μm～9 μm)n=5.33,HgCdTe探测器(8 μm～13 μm)n=4.09,测温范围为273 K～473 K。

本文中应用的红外热像仪为美国LumaSense公司的MIKRON MCS640短波高温红外热像仪。其主要技术参数如表1所示。

表1 MCS640红外热像仪主要技术参数

图1 1 073 K～1 473 K测温范围内拟合的曲线

测温范围/Kn值确定系数(R-square)1073～147310.9300.99941473～17739.1060.99961773～22737.3660.99932273～32735.4120.9986

确定系数(R-square)用来评价回归方程的优劣,越接近1说明曲线拟合的越好。从表2中可以看出,各确定系数均非常接近1,说明近似的方程形式及拟合系数是合理的。图1为1 073 K～1 473 K测温范围内拟合的曲线。

图2为实际值与拟合曲线的残差。

图2 拟合曲线与实际值的残差

2.2 实验方法

实验装置结构图如图3所示。应用美国IRCON公司的Modline 5比色测温仪测量被测物体表面真实温度T0,其主要参数如表3所示。同时将红外热像仪的测温子范围设置为1 073 K～1 473 K,发射率设为1。比色测温仪和红外热像仪同时测量被测物体表面温度,两者与被测物体法线成较小的夹角,可认为测量的是其表面法向发射率。根据比色测温仪的距离系数,可得到一定距离下物体被测区域面积,D为比色测温仪到被测物体表面的距离。为保证测量结果的准确性,通过在红外热像仪温度分布图像上划定相同的区域面积来读取温度数据Tr。

测温范围距离系数响应时间精度873K～1673KD/10010ms读数的0.5%+2℃

被测物体为长宽高分别为30 mm×30 mm×5 mm、表面较粗糙的高温陶瓷块,通过稳定的氢氧焰对其进行加热。通过改变氢氧焰的通气量来改变加热温度。对1 073 K～1 473 K温度范围内不同温度下的温度值进行了测量,环境温度值为293 K,通过式(7)计算了不同温度下的发射率,如表4所示。图4为在780 nm～1 080 nm波段范围内,波段法向发射率与温度的关系,发射率值在0.62左右。为验证所测量的发射率的可靠性,在红外热像仪上设置物体发射率为0.62,对不同温度下高温陶瓷的表面温度进行测量,测量结果如表5所示,可以看出,红外热像仪的测温结果更加接近比色测温仪结果,即更加接近真实值。

表4 实验数据及结果

图4 780 nm～1 080 nm波段范围内波段法向发射率值

红外热像仪温度/K比色测温仪温度/K测温误差/K11751183-812081213-512641265-1133713343142814217148914818

3 结论

为修正实际应用环境下发射率对辐射测温精度的影响,通过分析红外热像仪的测温原理,得出了应用红外热像仪进行波段法向发射率测量的方法。由于红外热像仪探测器、工作波段和测温范围的不同,计算波段法向发射率时具有不同的幂次n。本文叙述了n值的计算方法,并对MIKRON MCS640短波高温红外热像仪在不同测温范围下的n值进行了计算。应用MIKRON MCS640红外热像仪和比色测温仪对高温陶瓷在高温段的波段法向发射率进行了测量,得到了780 nm～1 080 nm波段范围内的法向发射率,并对其可靠性进行了验证,实验结果表明红外热像仪的测温误差小于1%,证明了该方法的有效性。

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李岩峰(1988-),男,河北石家庄人,博士研究生,主要研究方向为测试计量技术及仪器、动态测试与校准技术,liyanfeng2013@126.com;

张志杰(1965-),男,山西五台人,教授,博士生导师,主要从事动态测试理论与信号处理、动态误差及不确定度等方面的研究,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

项目来源:国家自然科学基金面上项目(51575499,61473267);技术基础科研项目(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