[發明專利]一種測量物體發射率的測量系統及方法

有效

• 申請號: 201210591729.1
• 申請日: 2012-12-29
• 公開（公告）號: CN103063312A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發明（設計）人: 屈惠明;李圓圓;陳錢;顧國華;鄭奇;曹丹;劉文俊;龔靖棠;黃源
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G01J5/00
• 分類號: G01J5/00;G01J5/08
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 朱顯國

技術領域

本發明涉及發射率測量領域，特別是一種發射率測量方法及基于探測器測量物體波段發射率的系統。

背景技術

物體真實溫度的測量在日常生活、工業生產和目標探測等領域有重要的作用，發射率是測量物體真實溫度最重要的參數。發射率是實際物體與理想黑體的自身輻射能量之比，因此精確測量物體的發射率是物體精確測溫的基礎。

目前存在的使用探測器測量物體波段發射率的方法有以下二種：一是參考物體法，該方法分為近距離和遠距離兩種，近距離基于發射率的定義，在相同溫度和相同波段下，測量被測樣品的輻射能量與黑體的輻射能量的比值。該方法缺點是測量常溫附近的材料光譜發射率比較困難，當試樣和探測器都處于常溫時，從原理上講是得不到探測器輸出的，即使試樣溫度高出探測器溫度幾度至二、三十度，探測器輸出的信噪比也是比較低的，影響測試準確度；遠距離利用被測物體附近已知參考體，該方法缺點不適宜測量無法放置參考體的地方，同時不適宜未知溫度的物體；方法二，直接測量法，通過測量物體溫度，并利用普朗克公式測量計算物體發射率，該方法不適用于無法進行接觸測量表面溫度的物體。現有方法需要借助于參考體或接觸被測物體，而不能滿足單獨對物體進行非接觸測量。

目前常用高精度發射率測量裝置為采用對稱雙光路的光機結構，整個裝置由樣品加熱爐、參考黑體、溫度控制器、水冷光攔、光學系統、單色儀以及數據采集/處理電路和計算機組成，該系統測量原理采用了方法一的參考物體法，利用兩個探測器分別測量待測目標和黑體在同溫、同波長下的兩路輻射能，利用其比值確定樣品在該溫度下的發射率。該系統無法測量常溫附近的材料光譜發射率，并且安裝困難，需要較高的安裝精度，操作復雜。

發明內容

本發明的目的是提供一種發射率測量方法及非接觸無需參考體測量精度高、結構簡單、安裝方便的基于探測器的物體發射率測量系統及測量方法。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種測量物體發射率的測量系統，包括探測器、輻射源和分光鏡，探測器置于與被測物體及分光鏡同一光路中，輻射源提供主動輻射，與探測器、分光鏡所處光路所在的直線垂直，并與分光鏡處于同一直線上；分光鏡分別與探測器探測面、輻射源表面成度角，分光鏡處于被測物體與探測器中間光路；輻射源表面入射光線與分光鏡反射面成度角，經分光鏡表面反射的光線到達被測物體，光線經被測物體表面反射到達分光鏡并經分光鏡透射到達探測器表面。

所述分光鏡固定在支架上，分光鏡為半透半反射鏡，包括紅外半透半反射鏡、可見光半透半反射鏡和全波段半透半反射鏡。

所述探測器包括紅外熱像儀、CCD照相機以及光譜輻射計；所述輻射源采用面源黑體。

所述被測物體表面與探測器表面平行。

一種測量物體發射率的方法，步驟如下：

第一步，以輻射源為基準建立探測器的系統響應函數，以t攝氏度為輻射源溫度間隔，采樣輻射源輻射反映到探測器上的灰度值，溫度間隔t滿足在[T1，T2]溫度范圍內有10個或10個以上采樣點。

第二步，取[T1，T2]區間內的n個采樣點，n>=10，用最小二乘法擬合經過n個采樣點的探測器輸出值，擬合出該探測器的系統響應函數為：???????????????????????????????????????????????，其中V為探測器輸出值，L_f探測器本身雜散能量，α為探測器響應度，L為到達探測器表面的有效輻射量；

第三步，根據發射率推導公式分別測量輻射源改變前后輻射值及物體輻射輸出值。

所述步驟三根據發射率推導公式分別測量輻射源改變前后輻射值及物體輻射輸出值的方法如下：

3.1探測器接收到的有效輻射包括三個部分：目標自身輻射、目標對周圍環境反射輻射和大氣輻射，到達探測器表面的有效輻射量表達式如下：?

其中，L為到達探測器表面的有效輻射量，L₀為目標自身輻射量，ρ為目標反射率，L_s為環境輻射，L_p為大氣輻射，大氣透過率為1；

3.2將探測器系統響應函數及到達探測器表面的有效輻射量表達式進行變化推導得探測器輸出值為：

其中，令，

得探測器輸出值為：

其中，V₀為只有目標的輻射作用到探測器上時，探測器輸出值；V_s為單獨環境輻射作用到探測器上時，探測器的輸出值；

3.3改變輻射源輻射，采用步驟3.2的方法得到另一組輸出，將這兩組輸出進行計算得到反射率為：