积，〇为斯蒂芬玻耳兹曼常数，es为待测试样表面发 射率，P。为调制盘蒸金面的发射率，Thl、Th2分别为高温和低温热腔的温度，Fsa、Fhs为一侧 的试样和热腔对热释电的视角系数。当假定空气透过率以及蒸金面反射率均为1，其余皆为 已定或设定值，则有Vs=kes，用标准发射率的试样对装置进行标定校准即可得到待测表 面的发射率。
[0041] 本实用新型的有益效果是：
[0042] (1)采用机械调制和锁相放大的方法，提高了信噪比，保证了测量准确度，同时机 械调制无需光源光路调制所需装置那么复杂，易于实现，结构简便；
[0043] (2)相比于传统的单热腔法，双热腔的两个热释电传感器互相串联，在信号调制过 程中就消除了环境温度和自身辐射的影响，并且双元热释电本身有很强的抗干扰性能（热 传导引起的温漂），因此装置的稳定性良好；
[0044] (3)利用热释电效益感受温度变化，无需达到热平衡就可以实现快速测量，应对野 外便携测量的要求；
[0045] 具体实施例：
[0046] 图1为本实用新型的结构框图，包括温度控制模块、机械调制模块、双腔主体、传 感器模块、锁相放大模块、数据处理及显示模块。
[0047] 双腔主体为装置的核心所在，具体如图2所示，温度控制模块用于对两热腔2、12 加热并维持温度恒定，温控精度为0. 1°C，控温误差为0. 5°C，加热丝缠绕在热腔外表面，热 电偶埋入热腔开孔4、13内。装置实测前需首先开启温控模块，对热腔进行预热，使低温热 腔略高于环境温度，高温热腔高于低温热腔30°C。机械调制模块是为了给传感器提供一个 调制辐射，类似光源调制的方法，不过光源调制信号只与其自身辐射相关，而机械调制引入 了环境辐射的干扰，不过有双热腔的存在，这个干扰会在计算幅值时相消掉，其他干扰也会 在随后的锁相放大器滤掉，得到一个比较高信噪比与发射率相关的电压信号输出到数据处 理及显示模块中。
[0048] 机械调制主要由低速电机17通过联轴器15和细长轴3带动半圆形调制盘11周期 性转动，调制盘面对热腔开口一面镀上蒸金，几乎为1的反射率几乎全部反射热腔的热辐 射，同时由于是半圆形的结构，存在两个临界状态：调制盘全部覆盖住高温热腔和全部覆盖 住低温热腔，并且有一定停留时间。自然，未被调制盘覆盖的热腔开口是被待测材料覆盖， 只会反射一部分热福射。因为热释电传感器产生的信号大小与吸收的福射大小正相关，可 以推测，传感器产生的信号为一个类似梯形波的交变信号，其幅值与待测发射率正相关，其 频率等于机械调制频率，确定该频率后即可对传感器信号锁频放大，而一般噪声为高频干 扰，选用的低速电机为80rpm，也就是信号频率为80Hz，能有效过滤掉高频干扰而对有效信 号无失真，具有较高的信噪比。
[0049] 双腔主体包括外筒1，上下支撑盘7、10,高低温热腔2、12,固定底座5,高低温热腔 2、12置于外筒1、上下支撑盘7、10构成的空间内，固定底座嵌在所述的高低温热腔2、12下 底，高低温热腔大小材料一致，倒锥形内开孔，孔内壁均涂黑（涂层发射率不低于0. 9)，而 且，为防止两热腔之间传热影响温控，在之间放置绝热材料8如保温棉减小热传导。双热腔 的尺寸设计对信号输出大小很重要，具体表现在视角系数上：
[0054] 可以知道增大热腔上开口面积或者减小其高度都可以增加信号输出。同时，热腔 的高低温差设置对结果也有很大影响。
[0055] 传感器模块采用热释电传感器，它只响应于温度变化，可以实现瞬态测量，并且时 间常数为微秒级，具有宽而平的光谱响应，无需制冷、高信噪比。选用的双元热释电在一个 传感器中有两个反相串联的敏感元，当入射能量顺序的射到两个元件上时，其输出比单敏 感元件高一倍，对于同时输入的能量如环境热传导会互相抵消，减小温漂。
[0056] 锁相放大器模块包括前置放大、二阶低通滤波、移相电路、锁相相乘和四阶低通滤 波电路，由于调制频率的固定，应用锁相放大就可以选频放大，信噪比高于一般的放大器。 数据处理和显示模块包括A/D转换器、微机、LED显示屏，主要对校准数据及显示测量结果。 实施的具体步骤有：
[0057] (1)控温过程，对热腔预热至设定温度；
[0058] (2)校准过程，采用标准试样对显示器发射率读数进行校准；
[0059] (3)测量过程，待测表面正对热腔口，一定延时后读出其发射率值。
[0060] 由以上实施例可以看出，本实用新型实施例通过高低温热腔发射、机械调制反射、 热释电效应和锁相放大等相结合的方法，消除了普通反射法自身、环境辐射的影响和不适 用于高温测量的缺点，具有结构简单、稳定性好、瞬态测量和高信噪比等优点，适用于野外 工业等复杂环境的发射率在线快速测量。
[0061] 以上所述，仅为本实用新型较佳的【具体实施方式】，但本实用新型的保护范围并不 局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到 的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该 以权利要求书的保护范围为准。
【主权项】
1. 一种快速测量表面红外半球发射率的装置，其特征在于，包括外筒，所述外筒的上端 和下端分别设有上支撑盘和下支撑盘，所述外筒与上支撑盘和下支撑盘围成的空间内设有 双腔主体，所述双腔主体的上端固定在所述上支撑盘上，所述双腔主体的下端镶嵌有固定 底座； 所述下支撑盘的下部固定有电机固定筒，所述电机固定筒内固定有低速电机，所述低 速电机的输出轴通过联轴器与穿过所述双腔主体中部的细长轴连接，所述细长轴的上端连 接有调制盘； 所述双腔主体内对称于所述细长轴设有两个上口大、下口小的热腔，分别为高温热腔 和低温热腔，两个热腔的外壁分别缠绕有加热电阻丝，所述加热电阻丝连接有温控开关，所 述高温热腔和低温热腔的外侧壁分别设有热电偶，所述固定底座在对应所述高温热腔和低 温热腔下口的部位分别开有孔，并在所述孔中分别设有热释电传感器； 所述外筒的上端设有试样，所述调制盘在转动过程中依次将所述高温热腔和低温热腔 的上口部分或全部盖住。2. 根据权利要求1所述的快速测量表面红外半球发射率的装置，其特征在于，所述热 释电传感器与锁相放大模块连接，所述锁相放大模块与数据处理及显示模块连接。3. 根据权利要求2所述的快速测量表面红外半球发射率的装置，其特征在于，所述锁 相放大模块包括前置放大电路、二阶低通滤波电路、移相电路、锁相相乘电路和四阶低通滤 波电路。4. 根据权利要求3所述的快速测量表面红外半球发射率的装置，其特征在于，所述的 数据处理和显示模块包括A/D转换器、微机、LED显示屏。5. 根据权利要求4所述的快速测量表面红外半球发射率的装置，其特征在于，所述 的调制盘为半圆形薄片，所述的调制盘距所述试样下表面和所述热腔上口的距离分别为 0. 5cm，所述的调制盘面向所述热腔上口的一面设有蒸金镀膜。6. 根据权利要求5所述的快速测量表面红外半球发射率的装置，其特征在于，所述高 温热腔和低温热腔均为倒锥形腔体，上开口直径25cm，下开口直径8. 5cm，高度60cm，内壁 涂黑涂层，两个热腔之间设有绝热材料。
【专利摘要】本实用新型公开了一种快速测量表面红外半球发射率的装置，包括外筒、上支撑盘和下支撑盘，外筒内设有双腔主体，低速电机的输出轴与穿过双腔主体中部的细长轴连接，细长轴的上端连接有调制盘；双腔主体内对称于所述细长轴设有两个上口大、下口小的高温热腔和低温热腔，固定底座在对应高温热腔和低温热腔下口的部位分别开有孔，并在孔中分别设有热释电传感器。通过高低温热腔发射、机械调制反射、热释电效应和锁相放大等相结合的方法，消除了普通反射法自身、环境辐射的影响和不适用于高温测量的缺点，适用于野外工业等复杂环境的发射率在线快速测量。
【IPC分类】G01N25/20
【公开号】CN204789423
【申请号】CN201520332657
【发明人】徐斌, 魏俊
【申请人】中国科学技术大学
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2015年5月21日