基于红外测温仪的材料发射率测量方法，属于高温不透明材料热物性测量技术领域；本发明是为了解决现有材料发射率测量方法的测量结果精确度差、使用复杂和测量速度慢的问题；本发明首先使用红外测温仪对黑体炉的温度进行测量，并通过计算得到红外测温仪接收的杂散辐射能，然后使用热电偶测温仪对待测材料所制成的试件表面温度进行测量，得到了试件表面的真实温度；本发明设计实现了在五种设定红外测温仪发射率条件下使用测量试件表面温度，得到五个测量温度值，利用五个设定发射率和五个测量温度值代入计算公式得到五个材料发射率，并取其平均值获得待测材料发射率，本发明主要应用在高温不透明材料发射率测量技术领域。
1.基于红外测温仪的材料发射率测量方法，其特征在于，它是采用红外测温仪(1)、热电偶探头(4)、热电偶测温仪(7)、黑体炉(8)和温度控制系统实现材料发射率的测量，所述的温度控制系统包括加热炉(2)，加热器(3)，温度采集装置(5)和温度巡检操控仪(6)，所述的加热炉(2)设有圆形透光孔，实现材料发射率的测量过程为：步骤一、首先将待测材料制作成圆形试件(9)，其中待测材料为不透明材料，再将红外测温仪(1)的入瞳口对准黑体炉(8)的透光孔，所述的黑体炉(8)的发射率ε＝1、温度为Tb1，对红外测温仪(1)的测温光路进行准直调节，使黑体炉(8)的透光孔和红外测温仪(1)的入瞳口中心位于同一水平高度并相对放置，红外测温仪(1)入瞳口与黑体炉(8)的透光孔之间的距离其中， 是红外测温仪(1)的参数，D表示红外测温仪(1)与待测圆形试件(9)之间的距离，S表示红外测温仪(1)与所对待测圆形试件(9)中心所在的圆面积，d为圆形试件(9)的直径，红外测温仪(1)的发射率为ε'b，红外测温仪(1)测量获得的黑体炉(8)的测量温度为Tmb1，调整黑体炉(8)的温度为Tb2，并采用红外测温仪(1)测量获得黑体炉(8)的测量温度为Tmb2，调整黑体炉(8)的温度为Tb3，并采用红外测温仪(1)测量获得黑体炉(8)的测量温度为Tmb3，其中，Tb1、Tb2、Tb3在室温至1500℃温度范围内的取值，并且Tb1
步骤二、将圆形试件(9)镶嵌并固定在加热炉(2)的圆形透光孔内，并且所述圆形透光孔与圆形试件(9)同心，对红外测温仪(1)的测定光路进行准直调节，使加热炉(2)的圆形透光孔中心和红外测温仪(1)入瞳口中心位于同一水平高度并且相对放置；
步骤三、打开加热炉(2)电源开关，开始对圆形试件(9)加热；
步骤四、待圆形试件(9)被加热至实验测量温度时，利用温度巡检操控仪(6)使圆形试件(9)保持恒温时，将热电偶测温仪(7)的热电偶探头(4)接触圆形试件(9)表面的中心位置，测量得到圆形试件(9)表面的测量温度值Tr，并将其测量温度值Tr作为圆形试件(9)的真实温度；
步骤五、开启红外测温仪(1)，其发射率为ε′1，并保持红外测温仪(1)入瞳口中心与圆形试件(9)的外表面中心之间的距离 红外测温仪(1)入瞳口中心对准圆形试件(9)的外表面中心进行测量，得到测量温度值Tm1；
步骤六、依次将红外测温仪(1)设定发射率值调整为ε'2、ε'3、ε'4、ε'5，并在每次调整红外测温仪(1)的设定发射率之后，执行步骤五，依次得到对应的测量温度值Tm2、Tm3、Tm4、Tm5；
步骤七、结合步骤四、步骤五和步骤六中获得的圆形试件(9)的测量温度值以及步骤一中计算出的杂散辐射能量，计算得到待测材料在室温至1500℃温度范围内的材料发射率ε；
所述的步骤一中所述的利用扣除杂散辐射算法计算出杂散辐射能量，其具体方法为：所述的红外测温仪(1)的工作波段为大气窗口，红外测温仪(1)的测温公式表示为，ε'f(Tm)+(1-ε')f(Te)＝εf(Tr)+(1-α)f(Te)+g(Te) (1)式中，Tm为红外测温仪(1)测得的温度，单位K；
令所测圆形试件为灰体，则有α＝ε，带入式(1)中得，
ε'f(Tm)+(1-ε')f(Te)＝εf(Tr)+(1-ε)f(Te)+g(Te) (2)依据普朗克定律得，
将步骤一中黑体炉(8)的测量温度Tmb1、Tmb2、Tmb3以及环境温度Te代入(4)式得，取平均值可得杂散辐射能表示为，
2.根据权利要求1所述的基于红外测温仪的材料发射率测量方法，其特征在于，所述步骤七中计算得到待测材料在室温至1500℃温度范围内的材料发射率ε，其具体实现方法为，材料发射率ε表达式如下，
将步骤五和步骤六中，依次将红外测温仪(1)的五个发射率ε'设定值ε′1、ε'2、ε'3、ε'4、ε'5和相应的五个测量温度值Tm1、Tm2、Tm3、Tm4、Tm5分别代入式(7)中得到五个材料发射率，对上述得到的五个材料发射率ε1、ε2、ε3、ε4、ε5取平均值即得到待测材料在室温至1500℃温度范围内的发射率ε为：根据所述的步骤七中红外测温仪(1)在五个不同设定发射率下的圆形试件(9)温度测量值、步骤四中热电偶测温仪(7)测得的圆形试件(9)的真实温度、步骤一中计算出的杂散辐射能量计算得到圆形试件(9)在室温至1500℃温度范围内的材料发射率ε。
3.根据权利要求1所述的基于红外测温仪的材料发射率测量方法，其特征在于，所述的步骤四中所述的实验测量温度的范围是373～1773K。
4.根据权利要求1所述的基于红外测温仪的材料发射率测量方法，其特征在于，所述的红外测温仪(1)的工作波段是3～5μm时，取n＝9.3。
5.根据权利要求1所述的基于红外测温仪的材料发射率测量方法，其特征在于，所述的红外测温仪(1)的工作波段是8～14μm时，取n＝4。
基于红外测温仪的材料发射率测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于红外测温仪的材料发射率测量方法及扣除杂散辐射的测量方法，属于高温不透明材料热物性测量技术领域。
背景技术
[0002] 发射率定义为同等温度下材料表面辐射能与黑体辐射能的比值。各种材料表面的发射率是表征材料表面辐射本领的物理量，是一项极其重要的热物性参数。根据波长范围，发射率可分为全光谱发射率，光谱发射率和波段发射率；根据测量方向可分为半球发射率和方向发射率。
[0003] 材料发射率的测量涉及到航空航天、军事、化工、建筑、医疗、新能源及大气科学等多个领域。其典型应用包括：飞机蒙皮的红外隐身、航天飞行器再入大气层时表面的烧蚀、导弹的预警及拦截、火车车轴温度的测量、遥感辐射测量技术等。针对材料的发射率测量，美国、法国、英国、日本等国做过很多研究。现有的测量方法主要有三种：(1)量热法，通过确定样品在稳态或瞬态过程中辐射或吸收的热流，利用能量平衡方程求得发射率，一般多用于半球发射率的测量；(2)反射法，根据能量守恒定律和基尔霍夫定律，将已知强度的辐射能投射到被测不透明样品表面上，并用反射计测出表面反射能量，求得样品的反射率进而计算出发射率；(3)能量法，直接测量样品的辐射能，根据普朗克定律，借助发射率的定义式计算出样品表面的发射率。
发明内容
[0004] 本发明的目的是为了解决现有材料发射率测量方法的测量结果精确度差、使用复杂和测量速度慢的问题，本发明提供了一种基于红外测温仪的材料发射率测量方法。
[0005] 所述的基于红外测温仪的材料发射率测量方法是采用红外测温仪、热电偶探头、热电偶测温仪、黑体炉和温度控制系统实现材料发射率的测量，所述的温度控制系统包括加热炉，加热器，温度采集装置和温度巡检操控仪，所述的加热炉设有圆形透光孔，实现材料发射率的测量过程为：
[0006] 步骤一、首先将待测材料制作成圆形试件，其中待测材料为不透明材料，再将红外测温仪的入瞳口对准黑体炉的透光孔，所述的黑体炉的发射率ε＝1、温度为Tb1，对红外测温仪的测温光路进行准直调节，使黑体炉的透光孔和红外测温仪的入瞳口中心位于同一水平高度并相对放置，红外测温仪入瞳口与黑体炉的透光孔之间的距离
[0007] 其中， 是红外测温仪的参数，D表示红外测温仪与其相对的圆形试件之间的距离，S表示红外测温仪与其所对待测圆形试件中心所在的圆面积，d为圆形试件的直径，红外测温仪的发射率为ε′b，红外测温仪测量获得的黑体炉的测量温度为Tmb1，[0008] 调整黑体炉的温度为Tb2，并采用红外测温仪测量获得黑体炉的测量温度为Tmb2，[0009] 调整设定黑体炉的温度为Tb3，并采用红外测温仪测量获得黑体炉的测量温度为Tmb3，其中，Tb1、Tb2、Tb3在室温至1500℃温度范围内的取值，并且Tb1＜Tb2＜Tb3；根据参数Tmb1、Tmb2、Tmb3采用扣除杂散辐射算法计算出杂散辐射能量；
[0010] 步骤二、将圆形试件镶嵌并固定在加热炉的圆形透光孔内，并且所述圆形透光孔与圆形试件同心，对红外测温仪的测定光路进行准直调节，使加热炉的圆形透光孔中心和红外测温仪入瞳口中心位于同一水平高度并且相对放置；
[0011] 步骤三、打开加热炉电源开关，开始对圆形试件加热；
[0012] 步骤四、待圆形试件被加热至实验测量温度时，利用温度巡检操控仪使圆形试件保持恒温时，将热电偶测温仪的热电偶探头接触圆形试件表面的中心位置，测量得到圆形试件表面的测量温度值Tr，并将其测量温度值Tr作为圆形试件的真实温度；
[0013] 所述的步骤四中所述的实验测量温度的范围是373～1773K。
[0014] 步骤五、开启红外测温仪，其发射率为ε′1，并保持红外测温仪入瞳口中心与圆形试件的外表面中心之间的距离 红外测温仪入瞳口中心对准圆形试件的外表面中心进行测量，得到测量温度值Tm1；
[0015] 步骤六、依次将红外测温仪设定发射率值调整为ε′2、ε′3、ε′4、ε′5，并在每次调整红外测温仪的设定发射率之后，执行步骤五，依次得到对应的测量温度值Tm2、Tm3、Tm4、Tm5；
[0016] 步骤七、结合步骤四、步骤五和步骤六中获得的圆形试件的测量温度值以及步骤一中计算出的杂散辐射能量，计算得到待测材料在室温至1500℃温度范围内的材料发射率ε。
[0017] 所述的步骤一中所述的利用扣除杂散辐射算法计算出杂散辐射能量，其具体方法为：
[0018] 所述的红外测温仪的工作波段为大气窗口，红外测温仪的测温公式表示为，[0019] ε′f(Tm)+(1-ε′)f(Te)＝εf(Tr)+(1-α)f(Te)+g(Te) (1)[0020] 式中，Tm为红外测温仪测得的温度，单位K；
[0021] Tr为所测圆形试件的真实温度，单位K；
[0022] Te为环境温度，单位K；
[0023] ε为所测圆形试件的发射率；
[0024] ε′为红外测温仪设定发射率；
[0025] α为所测圆形试件的表面吸收率；
[0026] g(Te)为杂散辐射能；
[0027] 令所测圆形试件为灰体，则有α＝ε，带入式(1)中得，
[0028] ε′f(Tm)+(1-ε′)f(Te)＝εf(Tr)+(1-ε)f(Te)+g(Te) (2)[0029] 依据普朗克定律得，
[0030] f(T)＝CTn (3)
[0031] 式中，C为常数；
[0032] n为指数，根据红外测温仪1的工作波段取值，
[0033] 所述的红外测温仪的工作波段是3～5μm时，取n＝9.3，
[0034] 所述的红外测温仪的工作波段是8～14μm时，取n＝4，
[0035] 将式(3)代入式(2)中得，
[0036]
[0037] 式中，
[0038] 将步骤一中黑体炉的测量温度Tmb1、Tmb2、Tmb3以及环境温度Te代入(4)式得，[0039]
[0040]
[0041]
[0042] 取平均值可得杂散辐射能表示为，
[0043]
[0044] 所述步骤七中计算得到待测材料在室温至1500℃温度范围内的材料发射率ε，其具体实现方法为，
[0045] 材料发射率ε表达式如下，
[0046]
[0047] 将步骤五和步骤六中，依次将红外测温仪的五个发射率ε′设定值ε′1、ε′2、ε′3、ε′4、ε′5和相应的五个测量温度值Tm1、Tm2、Tm3、Tm4、Tm5分别代入式(7)中得到五个材料发射率，
[0048]
[0049]
[0050]
[0051]
[0052]
[0053] 对上述得到的五个材料发射率ε1、ε2、ε3、ε4、ε5取平均值即得到待测材料在室温至1500℃温度范围内的发射率ε为：
[0054]
[0055] 本实施方式是根据所述的步骤七中红外测温仪在五个不同设定发射率下的圆形试件温度测量值、步骤四中热电偶测温仪测得的圆形试件的真实温度、步骤一中计算出的杂散辐射能量计算得到圆形试件在室温至1500℃温度范围内的材料发射率ε。
[0056] 本发明首先使用红外测温仪对黑体炉的温度进行测量，并通过计算得到红外测温仪接收的杂散辐射能，然后使用热电偶测温仪对不透明材料的圆形试件表面温度进行测量，得到了圆形试件表面的真实温度；其次本发明设计实现了在五种设定发射率条件下使用红外测温仪测量圆形试件表面温度，得到五个测量温度值，利用五个设定发射率和五个测量温度值代入计算公式，得到了圆形试件发射率值，计算出了扣除杂散辐射的不透明材料发射率。
[0057] 本发明提供的一种基于红外测温仪的材料发射率测量方法带来的益效果是，其使用简单、测量速度提高6％～10％、测量结果精确度提高了5％，建设成本低，适用范围广等优点。
附图说明
[0058] 图1是实现本发明基于红外测温仪的材料发射率测量方法的装置示意图。
具体实施方式
[0059] 具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于红外测温仪的材料发射率测量方法是采用红外测温仪1、热电偶探头4、热电偶测温仪7、黑体炉8和温度控制系统实现材料发射率的测量，所述的温度控制系统包括加热炉2，加热器3，温度采集装置5和温度巡检操控仪6，所述的加热炉2设有圆形透光孔，实现材料发射率的测量过程为：
[0060] 步骤一、首先将待测材料制作成圆形试件9，其中待测材料为不透明材料，再将红外测温仪1的入瞳口对准黑体炉8的透光孔，所述的黑体炉8的发射率ε＝1、温度为Tb1，对红外测温仪1的测温光路进行准直调节，使黑体炉8的透光孔和红外测温仪1的入瞳口中心位于同一水平高度并相对放置，红外测温仪1入瞳口与黑体炉8的透光孔之间的距离[0061] 其中， 是红外测温仪1的参数，D表示红外测温仪1与圆形试件9之间的距离，S表示红外测温仪1与其所对待测圆形试件9中心所在的圆面积，d为圆形试件9的直径，红外测温仪1的发射率为ε′b，红外测温仪1测量获得的黑体炉8的测量温度为Tmb1，[0062] 调整黑体炉8的温度为Tb2，并采用红外测温仪1测量获得黑体炉8的测量温度为Tmb2，
[0063] 调整黑体炉8的温度为Tb3，并采用红外测温仪1测量获得黑体炉8的测量温度为Tmb3，其中，Tb1、Tb2、Tb3在室温至1500℃温度范围内的取值，并且Tb1＜Tb2＜Tb3；根据参数Tmb1、Tmb2、Tmb3采用扣除杂散辐射算法计算出杂散辐射能量；
[0064] 步骤二、将圆形试件9镶嵌并固定在加热炉2的圆形透光孔内，并且所述圆形透光孔与圆形试件9同心，
[0065] 对红外测温仪1的测定光路进行准直调节，使加热炉2的圆形透光孔中心和红外测温仪1入瞳口中心位于同一水平高度并且相对放置；
[0066] 步骤三、打开加热炉2电源开关，开始对圆形试件9加热；
[0067] 步骤四、待圆形试件9被加热至实验测量温度时，利用温度巡检操控仪6使圆形试件9保持恒温时，将热电偶测温仪7的热电偶探头4接触圆形试件9表面的中心位置，测量得到圆形试件9表面的测量温度值Tr，并将其测量温度值Tr作为圆形试件9的真实温度；
[0068] 步骤五、开启红外测温仪1，其发射率为ε′1，并保持红外测温仪1入瞳口中心与圆形试件9的外表面中心之间的距离 红外测温仪1入瞳口中心对准圆形试件9的外表面中心进行测量，得到测量温度值Tm1；
[0069] 步骤六、依次将红外测温仪1设定发射率值调整为ε′2、ε′3、ε′4、ε′5，并在每次调整红外测温仪1的设定发射率之后，执行步骤五，依次得到对应的测量温度值Tm2、Tm3、Tm4、Tm5；
[0070] 步骤七、结合步骤四、步骤五和步骤六中获得的圆形试件9的测量温度值以及步骤一中计算出的杂散辐射能量，计算得到待测材料在室温至1500℃温度范围内的材料发射率ε。
[0071] 具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的区别在于，所述的步骤一中所述的利用扣除杂散辐射算法计算出杂散辐射能量，其具体方法为：
[0072] 所述的红外测温仪1的工作波段为大气窗口，红外测温仪1的测温公式表示为，[0073] ε′f(Tm)+(1-ε′)f(Te)＝εf(Tr)+(1-α)f(Te)+g(Te) (1)[0074] 式中，Tm为红外测温仪1测得的温度，单位K；
[0075] Tr为所测圆形试件9的真实温度，单位K；
[0076] Te为环境温度，单位K；
[0077] ε为所测圆形试件9的发射率；
[0078] ε′为红外测温仪1设定发射率；
[0079] α为所测圆形试件9的表面吸收率；
[0080] g(Te)为杂散辐射能；
[0081] 令所测圆形试件为灰体，则有α＝ε，带入式(1)中得，
[0082] ε′f(Tm)+(1-ε′)f(Te)＝εf(Tr)+(1-ε)f(Te)+g(Te) (2)[0083] 依据普朗克定律得，
[0084] f(T)＝CTn (3)
[0085] 式中，C为常数；
[0086] n为指数，根据红外测温仪1的工作波段取值，
[0087] 将式(3)代入式(2)中得，
[0088]
[0089] 式中，
[0090] 将步骤一中黑体炉8的测量温度Tmb1、Tmb2、Tmb3以及环境温度Te代入(4)式得，[0091]
[0092]
[0093]
[0094] 取平均值可得杂散辐射能表示为，
[0095]
[0096] 具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二的区别在于，所述步骤七中计算得到待测材料在室温至1500℃温度范围内的材料发射率ε，其具体实现方法为，[0097] 材料发射率ε表达式如下，
[0098]
[0099] 将步骤五和步骤六中，依次将红外测温仪1的五个发射率ε′设定值ε′1、ε′2、ε′3、ε′4、ε′5和相应的五个测量温度值Tm1、Tm2、Tm3、Tm4、Tm5分别代入式(7)中得到五个材料发射率，
[0100]
[0101]
[0102]
[0103]
[0104]
[0105] 对上述得到的五个材料发射率ε1、ε2、ε3、ε4、ε5取平均值即得到待测材料在室温至1500℃温度范围内的发射率ε为：
[0106]
[0107] 本实施方式是根据所述的步骤七中红外测温仪1在五个不同设定发射率下的圆形试件9温度测量值、步骤四中热电偶测温仪7测得的圆形试件9的真实温度、步骤一中计算出的杂散辐射能量计算得到圆形试件9在室温至1500℃温度范围内的材料发射率ε。
[0108] 具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一的区别在于，所述的步骤四中所述的实验测量温度的范围是373～1773K。
[0109] 具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二的区别在于，所述的红外测温仪1的工作波段是3～5μm时，取n＝9.3。
[0110] 具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二的区别在于，所述的红外测温仪1的工作波段是8～14μm时，取n＝4。
[0111] 红外测温技术具有非接触、直观、灵敏度高、快速、安全等优点，在高压电线巡检、工业生产等民用领域得到广泛的应用；另一方面，热红外成像技术在侦察与制导、伪装设计与检测等军用领域中也得到了广泛应用。红外测温仪一般工作在大气窗口波段3μm～5μm和波段8μm～14μm，这两个波段的发射率测量具有重要的意义。
[0112] 红外测温仪是靠接收被测表面发射的红外辐射来确定其温度的，测量时，红外测温仪接收到的有效辐射包括三部分：目标自身辐射，反射环境辐射以及杂散辐射。
[0113] 本发明首先使用红外测温仪1对黑体炉8的温度进行测量，并通过计算得到红外测温仪1接收的杂散辐射能，然后使用热电偶测温仪7对不透明材料的圆形试件9表面温度进行测量，得到了圆形试件9表面的真实温度；其次本发明设计实现了在五种设定发射率条件下使用红外测温仪1测量圆形试件9表面温度，得到五个测量温度值，利用五个设定发射率和五个测量温度值代入计算公式，得到了圆形试件9发射率值，计算出了扣除杂散辐射的待测材料的发射率。
