專利名稱：一種發(fā)射率現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)量測(cè)試領(lǐng)域，特別是一種對(duì)物體的發(fā)射率進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的方法。
所謂發(fā)射率就是實(shí)際物體與同溫度黑體在相同條件下熱輻射功率的比值。實(shí)際物體的發(fā)射率與波長(zhǎng)、物體的溫度、材料特性及表面的狀態(tài)密切相關(guān)，其數(shù)值只有通過具體的測(cè)量才能得知。對(duì)于輻射測(cè)溫，當(dāng)測(cè)得了物體的表觀溫度后，還必須進(jìn)行發(fā)射率的校正，才能得到物體的真實(shí)溫度，目前，物體的表觀溫度的測(cè)量精度已經(jīng)達(dá)到了較高的水平，故輻射測(cè)溫的精度主要由測(cè)量發(fā)射率參數(shù)的精度所決定。
目前，測(cè)量發(fā)射率的方法有量熱法、反射率法和能量比較法。量熱法的原理是將被測(cè)樣品與周圍相關(guān)物體共同組成一個(gè)熱交換系統(tǒng)，再根據(jù)熱傳導(dǎo)理論導(dǎo)出系統(tǒng)有關(guān)材料發(fā)射率的熱傳導(dǎo)方程，再測(cè)出樣品有關(guān)點(diǎn)的溫度值，就能確定系統(tǒng)的熱交換狀態(tài)，從而求出樣品的發(fā)射率。量熱法需要把被測(cè)物體制作成較小的樣品，并要測(cè)出樣品有關(guān)點(diǎn)的溫度值，不適用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。
能量比較法的基本原理是在同一溫度下用同一樣探測(cè)器在相同條件下分別測(cè)量參考黑體及被測(cè)物體的輻射功率，兩者之比就是物體的發(fā)射率。參考黑體是這種測(cè)量方法的關(guān)鍵，它較大程度地影響這種方法的測(cè)量精度。
反射率法的基本原理是根據(jù)能量守恒定律及基爾霍夫定律，只要將已知強(qiáng)度的輻射能投射到被測(cè)不透明物體表面上，并測(cè)量出表面反射能量，即可求得反射率，從而計(jì)算出發(fā)射率。反射率法不必對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行加工，不需要知道被測(cè)物的溫度，從這個(gè)原理出發(fā)，可以發(fā)展為發(fā)射率的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法。例如，在文獻(xiàn)“利用CO2激光較遠(yuǎn)距離測(cè)量物體比輻射率”(張仁華，科學(xué)通報(bào)，第23期，1985年，第1814-1818頁)中，其測(cè)量方法就是基于這個(gè)原理上的。但是，該文獻(xiàn)提供的方法為了要消掉復(fù)雜的環(huán)境輻射照度影響，得到物體發(fā)射率信息，一定要保持測(cè)量時(shí)環(huán)境輻射不變，并必須建立兩種不同功率的光源照度。
本發(fā)明的目的是提供一種發(fā)射率現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的方法，可以獲得在某光譜范圍內(nèi)或某光譜的物體的發(fā)射率，并有較高的測(cè)量精度。本方法是進(jìn)行非接觸測(cè)量，且不必對(duì)被測(cè)物進(jìn)行加工和處理，不必測(cè)知被測(cè)物的溫度。
本方法將主動(dòng)光源置于距參考板/被測(cè)物表面的一定距離上，把輻射計(jì)放置在能接收到被反射的主動(dòng)光源輻射的位置上，并固定主動(dòng)光源與輻射計(jì)、被測(cè)物/參考板之間的相對(duì)位置;主動(dòng)光源產(chǎn)生一束輻射波長(zhǎng)為λ的輻射，入射到被測(cè)物表面上，輻射計(jì)接收被反射的主動(dòng)光源輻射，這時(shí)輻射計(jì)輸出為V;用參考板在同一位置代替被測(cè)物，這時(shí)輻射計(jì)輸出為Vs，設(shè)被測(cè)物表面為不透明的朗伯體表面，由于V/Vs＝ρd/ρd8＝(1-εd)/(1-εd8)，則εd＝1-(V/V8)(1-εd8)式中，ρd為被測(cè)物體的反射率，ρd8為參考板的反射率，εd為被測(cè)物體發(fā)射率，εd8為參考板的發(fā)射率;
本發(fā)明的特征在于對(duì)主動(dòng)光源輻射進(jìn)行調(diào)制，并給出同步信號(hào);同步信號(hào)用于相敏檢波，使輻射計(jì)只響應(yīng)被反射的調(diào)制輻射。
先對(duì)本發(fā)明的附圖作一點(diǎn)說明

圖1是方向發(fā)射率測(cè)量示意圖。圖中1為經(jīng)調(diào)制的主動(dòng)光源，2為輻射計(jì)，3為主動(dòng)光源及輻射計(jì)與被測(cè)物/參考板之間的距離，4為被測(cè)物，5為參考板。
圖2為本發(fā)明方法的一個(gè)實(shí)施例的方塊示意圖。其中6為光源，7為驅(qū)動(dòng)電路，8為振蕩電路，9為同步信號(hào)，10為輻射計(jì)光學(xué)系統(tǒng)，11為探測(cè)器及其放大電路，12為濾波器，13為相敏檢波電路，14為直流放大，15為單片機(jī)，分別對(duì)兩信號(hào)進(jìn)行采樣，運(yùn)算，16為發(fā)射率顯示打印機(jī)構(gòu)，17為參考板定標(biāo)信號(hào)存儲(chǔ)。
本發(fā)明發(fā)明人推薦如下最佳實(shí)施例。
參見附圖，根據(jù)本方法實(shí)施的裝置由調(diào)制光源、輻射計(jì)和方向反射率參考板組成。
調(diào)制光源部分的作用是產(chǎn)生一束所需光譜成份的調(diào)制輻射光束及同步信號(hào)。光源6采用了砷化鎵發(fā)光二極管，輻射波長(zhǎng)為0.94微米，在發(fā)光二極管前置放一石英透鏡，可得到視場(chǎng)角為3.4度的出射光束。采用電調(diào)制的方式調(diào)制光源輻射。其電路部分先由振蕩電路8產(chǎn)生一個(gè)頻率為1.3千赫的脈沖信號(hào)，經(jīng)放大后送到發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電路7，使發(fā)光二極管產(chǎn)生一束頻率為1.3千赫的調(diào)制輻射光束，同時(shí)給出調(diào)制同步信號(hào)9。
輻射計(jì)部分的作用是接收被反射的調(diào)制輻射能量。采用了硅光電二極管接收0.94微米的反射調(diào)制輻射，光電二極管前加一石英透鏡，組成接收視場(chǎng)為5.2度的光學(xué)系統(tǒng)10，硅光電二極管及其輸出的電信號(hào)經(jīng)其放大電路11和濾波電路12，然后由調(diào)制光源部分給出的調(diào)制同步信號(hào)9同步解調(diào)，即通過相敏檢波13，產(chǎn)生一個(gè)與入射調(diào)制輻射能量成正比的直流電壓信號(hào)，經(jīng)直流放大14至單片機(jī)15，分別對(duì)被測(cè)物和參考板的信號(hào)進(jìn)行采樣、運(yùn)算。再由打印顯示裝置16把發(fā)射率數(shù)據(jù)打印和顯示出來。
通過控制入射輻射的光譜成分及輻射計(jì)的光譜響應(yīng)，還可以測(cè)量各種光譜或光譜范圍的發(fā)射率。
發(fā)射率參考板為不透明朗伯體，其反射率和發(fā)射率在各個(gè)方向上均相等，并且有其發(fā)射率等于壹減去反射率。將參考板的定標(biāo)信號(hào)17進(jìn)行存儲(chǔ)，與單片機(jī)15聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)，則測(cè)量被測(cè)物的發(fā)射率時(shí)，可免去將參考板放在被測(cè)物位置測(cè)量反射調(diào)制輻射，而直接把被測(cè)物反射調(diào)制輻射與定標(biāo)信號(hào)相比較運(yùn)算，即可得到被測(cè)物的發(fā)射率。參考板按發(fā)射率的大小分三檔實(shí)施，即發(fā)射分別為0.10-0.30，0.30-0.60，0.60-0.99的低、中、高三檔，這樣，可適用于很寬范圍的發(fā)射率的測(cè)量。
本發(fā)明方法有如下積極效果與優(yōu)點(diǎn)1、因采用了相敏檢波，使信噪比顯著提高，提高了測(cè)量靈敏度。
2、由于采用了調(diào)制光源，使得輻射計(jì)只響應(yīng)調(diào)制輻射，對(duì)環(huán)境輻射和被測(cè)物的自射輻射不響應(yīng)。故這種方法可在任何復(fù)雜環(huán)境輻射下工作，也可以對(duì)任何溫度的物體進(jìn)行發(fā)射率測(cè)量。
3、整個(gè)測(cè)量過程是非接觸的，不破壞原有溫度場(chǎng)，完全適用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。本方法采用了非封閉的測(cè)量方式，可以較遠(yuǎn)距離測(cè)量，也可以在線測(cè)量。
4、通過控制入射輻射的光譜成份及輻射計(jì)的光譜響應(yīng)，可以測(cè)量各種光譜及光譜范圍的方向發(fā)射率。
5、可測(cè)的發(fā)射率范圍很寬。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)射率現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的方法，其中包括1.1、將主動(dòng)光源置于距被測(cè)物參考板表面的一定距離上，把輻射計(jì)放置在能接收到被反射的主動(dòng)光源輻射的位置上，并固定主動(dòng)光源與輻射計(jì)、被測(cè)物/參考板三者之間的相對(duì)位置；1.2、主動(dòng)光源產(chǎn)生一束輻射波長(zhǎng)為λ的輻射，入射到被測(cè)物表面上，輻射計(jì)接收被反射的主動(dòng)光源輻射，這時(shí)輻射計(jì)輸出為V；1.3、用參考板在同一位置代替被測(cè)物，這時(shí)輻射計(jì)輸出為VS；1.4、計(jì)算被測(cè)物的發(fā)射率，因?yàn)閂/VS=ρd/ρds=(1-εd)/(1-εd8)，則被測(cè)物體的發(fā)射率為δd=1-(V/V8)(1-εd8)式中，ρd為被測(cè)物體的反射率，ρD6為參考板的反射率，εd為被測(cè)物體的發(fā)射率，εD8為參考板的發(fā)射率；其特征在于1.5、對(duì)主動(dòng)光源輻射進(jìn)行調(diào)制，并給出同步信號(hào)；1.6、同步信號(hào)用于相敏檢波，使輻射計(jì)只響應(yīng)被反射的調(diào)制輻射。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種發(fā)射率現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的新方法。它是把經(jīng)過調(diào)制的一定波長(zhǎng)的輻射光束入射到被測(cè)物表面，采用相敏檢波方法處理信號(hào)的輻射計(jì)接收被反射的調(diào)制輻射，再與發(fā)射率參考板的信號(hào)進(jìn)行比較和運(yùn)算，得到被測(cè)物的發(fā)射率。因輻射計(jì)對(duì)環(huán)境輻射和被測(cè)物的自身輻射完全不響應(yīng)，故這種方法可在任何復(fù)雜的輻射環(huán)境下工作，也可對(duì)任何溫度的物體進(jìn)行發(fā)射率測(cè)量。通過控制入射輻射的光譜成分及輻射計(jì)的光譜響應(yīng)，還可測(cè)量各種光譜及光譜范圍的發(fā)射率。
文檔編號(hào)G01N21/25GK1059205SQ9110741
公開日1992年3月4日 申請(qǐng)日期1991年5月30日 優(yōu)先權(quán)日1991年5月30日
發(fā)明者張才根, 李琦 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所