发射率检测方法

放射率检测方法一、国内外放射率检测现状外表辐射特性的争论工作可以追溯到十八世纪,早在1753年富兰克林就提出不同的物质具有不同的承受和发散热量力气的概念;几百年来人们在理论上、试验中、工程上做了大量的争论工作;随着辐射近五十年以来材料放射率的测量方法有了很大的进展;目前在国际上已建立了分别适用于不同温度和状态以及不同物质的各种测试方法和装置;1量热法物体,依据传热理论推导出系统有关材料放射率的传热方程,通过测量样品某些点的温度值得到系统的热交换状态,即能求得放射率;量热法又分为稳态量热法和瞬态量热法;Worthing的稳态加热法就是承受灯丝进展加热,测量精度到达了2%,但是样品制作简洁,且测量时间长;瞬态法即承受激光或电流等瞬态加热技术,其代表是70年月美国NIST的基于积分球反射计法的脉冲加热瞬态量热装置,其测量速度快,测量上限高达4000℃,能准确测量多项参数,但是被测物必需是导体限制了其应用范围;2反射率法反射率法基于的原理是对于不透亮的样品,反射率+吸取率=1,将强度的辐射能量投射到透射率为0的被测面上,依据能量守恒定律和基尔霍夫定律,通过反射计求得反射能量,得到样品的反射率后IMGC的积分的放射率;探测器工作原理图探测器组装图3辐射能量法法能量法的根本原理是直接测量样品的辐射功率,依据普朗克定律或斯蒂芬玻尔兹曼定律和放射率的定义计算出样品外表的放射率;一般均承受能量比较法,即用同一探测器分别测量同一温度下确定黑体及样品的辐射功率,两者之比就是材料的放射率值;1与黑体是各自独立的,辐射能量探测器分别对它们的辐射量进展测量;测量材料全波长放射率时,探测器需要选择使用无光谱选择性的温差电堆或热释电等器件；测量材料光谱放射率时,需要选择使用光子探测器并配备特定的单色滤光片;许进堂等人曾承受独立黑体方案设计了一套法向全波长放射率测量装置,精度可以到达3.7%;独立黑体方案的优点在于能够精细地制作标准辐射源,并可准确地计算其辐射特性;其缺点在于等温条件难以得到保证,特别是对不良导热材料;在实际应用中,人们还常常承受整体黑体法和转换黑体法两种能量法测量材料的放射率,即在试样上钻孔或加反射罩,使被测材料变为黑体或靠近黑体性能,从而进展材料放射率的测量;两种转换黑体法示意图290和广泛应用,很多学者都建立了基于该装置的材料光谱放射率测量系统和装置;红外傅里叶光谱仪主要由迈克尔逊干预仪和计算机组成,其工作原理是光源发出的光经迈克尔逊干预仪调制后变成干预光,再把照耀样品后的各种频率光信号经干预作用调制为干预图函数,由计算机进展傅里叶变换,一次性得到样品在宽波长范围内的光谱信息;因此,红外傅里叶光谱仪在测量红外放射方面是一个功能强大的仪器;近年来,很多国家都进展了基于傅里叶红外光谱仪材料光谱放射率测Markham1994示意图如以下图;系统可以同时测量材料的光谱放射率和温度温度测量范围为50~2023℃典型测量精度为50.8~20μ,型测试3%;10~40mm,1~3mm,为保证加热时试样温度的均匀性,1~3mm;4多波长测量法,其根本原理是利用待测样品在多光谱条件下的辐射信息,通过假定的放射率和波长的数学模型进展理论分析计算,得到待测样品的温度和光谱放射率;,,不需要制作标准样品;很多国家都在争论多光谱法,多波长测量法的原理是通过测量目标多光谱下的辐射信息,建立放射率与波长关系模型及理论计算,;,并且测量温度没有上限,但是测量精度有限,并且对不同材料的适用性差,没有一种算法能适应全部材料;但是这是将来的进展方向;放射率测量方法的优缺点二、本方案的根本原理考虑到红外热像仪和多光谱较贵,本方案打算承受“双罩法”测量“双罩法”的根本原理就是将待测样品的辐射能量与处于一样温度下黑体所辐射的能量相比,就得到待测样品的放射率,本文中所述的放射率如无特别说明均指半球放射率;在工程上将被测面近似为灰体,灰体的定义是在任何温度下全部各波长射线的辐射强度与同温度黑体的相应波长射线的辐射强度之比等于常数;测量原理构造如以下图,双罩即由半球吸取罩与半球反射罩组成,其中吸取罩内外表为高吸取率材料,反射罩内外表为高反射率材料;为了便于争论半球罩的检测工作原理,不考虑透射率即透射率=0,1；2顶部开口面积相对于半球面积可无视,不需要考虑在开孔处的能量损失;3罩内外表温度在测量过程中保持不变,因此罩内外表与被测外表间没有相对传热;设被测物体外表的温度为Ts,放射率为ε;当半球反射罩扣在被测物体外表上时,反射罩和被测物体外表组成一个闭合腔体,,而被测物体外表却不断地吸取由反射罩反射回来的辐射能;由于辐射是以光速传播,因此上述的不断反射和吸取过程是瞬间完成;Sbω0T时的黑体辐射功率,当反射罩对着被测物体外表时,所组成的闭合腔体就成为一个等效黑体;自然敏感元件从小孔中接收到的辐射功率等于黑体辐射功率;设φ12为被测物体外表对半球罩顶部小孔的角系数,E=φ12ω0;将反射罩换成吸取罩,这时由于吸取罩外表和被测物体外表组成闭合腔体,因此被测物体外表辐射到吸取罩内外表的能量完全被吸取;敏感元件接收到的辐射功率即为被测外表放射的固有辐射功率ES=φ12εω0;固有辐射功率Sb式中K敏感元件的热转换系数;测量传感器构造如上图所示,由吸取罩与反射罩两局部组成;在抱负状况下,被测面为灰体,半球反射罩反射率ρ为1,被测外表能量经反射罩屡次反射后由从小孔出射,此时被测面有效辐射率为1,其辐射能为E= σT4;同时,抱负状况下半球吸取罩的吸取率α为1,被测外表对吸取罩辐射的能量均被其吸取,由小孔出射的能量为被测面自身辐射能E=εσT4;这样从两罩小孔中出射的辐射能比值即为被测外表放射率;实际的反射罩反射率和吸取罩吸取率不行能为1,需要分析其误差影响;这里引入有效放射率的概念,可得半球罩构造下被测外表的有效放射率ε 公式eff式中:为罩体吸取率F1和F2分别为被围外表与半球罩面积;依据有效放射率的意义,对于敏感元件热电堆,半球吸取罩输出与半球反射罩输出r 为::,两者比值为电压比;依据有效放射率式1可得实际测量的传感器输出电压比将比被测放射率小,但这局部偏差可通过标定过程补偿;该系统承受4个第三方测定的样板对测量系统进展标定,补偿由于反射罩和吸取罩特性影响导致的误差;式中,是吸取罩与其传感器冷端的温度误差系数；式中,是吸取罩与其传感器冷端的温度误差系数；,是反射罩与其传感器冷端的温度误差系数;,为将测得电压补偿到一个相对零点后仅含有外表辐射量信息的值用和代替Va和Vr解方程组123,将求得的放射率值标定后即可实现放射率的在线长时测量;三、系统的总体构造测量系统总体构造如以下图,包括传感器模块、信号处理模块和上位机测量显示模块;传感器模块包括2个半球罩及热电堆传感器、4路PT100热电阻测量补偿温度和一路PT100测量被测面温度Ts,通过测量外表温度得到放射率与温度的对应关系信号处理模块为温度测量局部供给电流驱动,并且采集7路信号进展A/D转换后通MODBUS协议将数据实时传输给上位机上位机接收数据后通过补偿模型计算动身射率值,并实时绘制被测面放射率随温度的变化曲线;在应用现场,传感器与上位机距离超过15m,考虑到红外热电堆传感器的输出为几mV,假设将信号通过长线传输至电路将会对原来就很小的信号造成衰减,因此承受将电路与2个半球罩做成一体构造,如图中实线框所示;该构造对测量电路的测量精度与尺寸提出了很高的要求;四、系统电路设计4.1测量电路设计系统待测辐射量很小,光电式传感器对工作环境要求较高,无法适应高温环境;红外热电堆传感器不仅能够适应强震惊和高温环境,,电路板空间狭小,要求电路具有很高的集成度,mV,电路板空间狭小,要求电路具有很高的集成度,mV级的热电堆输出电压不管在测量精度还是抗干扰上都加大了难度;依据测量电路对CPU的要求,承受ADuC845微处理器,测量电路如以下图,CPU外围电路构造简洁,只需要供给电源及参考电压,片内集成的可编程增益放大器PGA和高达24位区分率的型ADC400μA电流源可直接驱动PT100芯片内ADC上的斩波机制使其具有优良抑制直流失调及漂移性能,格外适用于对失调、噪声抑制和电磁兼容要求高的电路;通过存放器可将PGA增益编程为8级以满足不同的输入范围,并在测量电路中添加125V偏置电压让输入信号工作在放大器的线性区,提高测量精度;对于PGA,测量范围越小则测量的精度越高,在该应用中传感器输出小于40mV,因此为了充分利用芯片的精度,在该电路中通过单片机程序识别输入信号的范围自动选择PGA的增益,设定20mV为阈值,在输入小于20mV时选择0~20mV,当输入大于20mV时程序自动切换为0~40mV.4.2RS-485信号处理模块与上位机使用RS-485协议进展长距离通信,由于电路所处的环境为强电磁干扰,因此为了增加抗干扰力气提高牢靠性,承受基于iCoupler磁耦隔离技术的隔离RS-485收发器ADM2483磁耦隔离技术由于没有光电耦合器中影响效率的光电转换环节,实现了低功耗和高集成度,并且具有更高的数据传输速率、时序精度和瞬态共模抑制力气;它在125,在抗高温影响方面远优于光耦合器,格外适用于该系统的高温环境;通信电路如以下图,留意:VDD2与GND2必需是通过DC-DC隔离后的电压,才能实现系统的真正隔离;五、标定和试验结果在补偿的根底上测量系统通过4块第三方检定的标准放射率样板来标定,放射率分别为0.23、0.34、0.64、0.92,通过线性拟合的到最终放射率值;为了验证系统测量的准确性,承受红外热像仪校准放射率方法进展比对,该测试装置经过了计量单位检验,热像仪校准方法的根本测面的