表面温度和发射率的测量装置和测量方法与流程

本发明涉及测量技术领域，特别涉及一种表面温度和发射率的测量装置和测量方法。

背景技术：

利用辐射测温仪测量表面温度时，表面温度的测量受发射率影响，一直是计量测试领域的一个没有解决的难题。现有技术中广泛使用的各种辐射测温仪均是在实验室标准计量器具——黑体辐射源(发射率≈1)条件下标定的。在测量时，根据辐射信号和标定方程即可获得测量温度t。然而，实际物体的发射率小于1，测量时获得的只是亮度温度，并不是真实的表面温度。实际物体的发射率是复杂的、不能确定的，与物体的组份、表面状态、波长和温度有关。所以只有知道发射率的值，才能获得真实的表面温度。

为减小或消除发射率的影响，一种基于反射器的在线黑体的温度测量方法被提出(m.d.drury,k.p.perry,andt.land,“pyrometersforsurfacetemperaturemeasurement,”j.ironst.inst.,vol.169,pp.245–250,1951.)：在高温表面覆盖一个冷的高反射率的反射器构成一个空腔，被测表面与反射器之间存在多次反射，被测表面的有效辐射增大，接近黑体辐射状态，即有效的发射率接近于1。1994年，谢植等人提出‘第二类黑体辐射源’概念(谢植等,工业辐射测温度测量，东北大学出版社，1994)：“若非透明材料形成的等温面与理想反射体构成密闭空腔，则从等温面的任意面源上发出的辐射是该等温面源温度下的黑体辐射。”据此原理，将辐射测温仪前置一个反射器，可增大有效发射率，从而减小测量误差。

公告号为ep1103801b1的专利和公开号为ep0942269a1的专利申请基于以上原理公开了一种温度测量方法和测量装置：使用一种镀金的双曲线型凹面镜作为发射率增强仪，利用多次反射效应来增大有效辐射，从而减小测量误差。然而，实际上不存在理想反射体，其反射率小于1，且在反射器上有光辐射孔和与被测表面之间的间隙，空腔不密闭，所以其有效发射率不能达到1，因此该项发明能减小而非完全消除发射率的影响，仍要求用户输入有效发射率的经验值，在ep1103801b1中的经验值设为0.95。若要彻底消除发射率影响，精确的测量表面温度，需要精确的求解出有效发射率的表达式，而上述两项发明不能测量发射率，只能测量表面温度。

公开号为cn102353691a的中国专利申请和公开号为cn102252755a的发明专利申请分别公开了一种基于半球型和圆筒型的前置反射器的多光谱发射率在线测量装置及方法。该发明中的反射器可在导轨上移动，可在两种辐射状态上做切换：1)将反射器移至探测视野内，探测通过光辐射孔的光束，获得辐射信号2)再将反射器移出视野范围外，获得无反射器作用下的固有辐射信号根据公式获得发射率ε(λ,t)，其中f(ε(λ,t))为反射器有效发射率函数。

在实现本发明的过程中，发明人发现公开号为cn102353691a的中国专利申请和公开号为cn102252755a的发明专利仍具有以下不足之处：

第一，从精度方面：1)上述两个专利文件中的反射器需要安装在导轨上，以实现在被测表面上方移动，与被测表面必然存在间隙，被测表面发出的辐射光线会从间隙中逸出，从而影响测量精度；同时，理论计算可知，半球型反射器对与被测表面之间的距离特别敏感，若球心偏离被测表面，会造成有效发射率的急剧下降，所以底面间隙对测量精度的影响显著。2)反射器对被测表面温度场具有破坏作用，所以反射器不能长时间测量(高魁明等，前置反射器辐射温度计的研究，1984，图5)。如反射器测量700℃的不锈钢时，被测表面温度在反射器覆盖1秒钟上升约4℃，2秒上升6℃。所以需要快速的测量，而上述专利在两种辐射状态上切换，至少需要移动两倍反射器半径的距离，在切换过程中不可避免地破坏温度场，从而影响测量精度。3)上述两个专利在反射器移开时，被测表面暴露在空间中，周围背景辐射会被待测表面反射到光学瞄准探头中，所以测量信号会受到背景辐射干扰，只能应用在具有冷壁包围的理想的实验室中使用，不能应用在工业现场。4)上述两个专利只测法向发射率，而不能测量方向发射率。

第二，应用方面。上述公开2个专利的测量装置在测量前必须安装导轨和支撑架，并保证调整导轨与被测面水平，当反射器的尺寸相同时，需要至少一倍于反射器的覆盖空间供其移动。所需安装空间大、要求高，成本高、便携性差，受背景辐射影响大，不适合具有强背景辐射的工业现场，如空间有限的的场合，或需要快速便捷测量的场合、或不能安装导轨支架的场合。如背景辐射显著的钢厂加热炉内钢坯表面，连铸坯表面等。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能更精确地测量被测表面的表面温度和发射率的测量装置和测量方法。

本发明第一方面提供一种表面温度和发射率的测量装置，所述测量装置包括反射转换器、光接收器和数据处理系统，所述光接收器与所述反射转换器耦合，所述光接收器接收由所述被测表面发出的、并通过所述反射转换器的辐射光线并将所述辐射光线转换为电信号，所述数据处理系统与所述光接收器耦合以接收所述电信号并根据所述电信号形成所述被测表面温度和发射率，所述反射转换器包括反射器和吸收管，所述反射器具有通孔，所述吸收管相对于所述反射器位置可变地设置以使所述吸收管在第一测量位置和第二测量位置之间切换，其中，在所述第一测量位置，所述吸收管通过所述通孔穿设于所述反射器的内部至所述吸收管的入光端接近或接触所述被测表面，以使所述光接收器直接接收所述被测表面发出的固有辐射光线并形成第一电信号；在所述第二测量位置，所述吸收管的所述入光端位于所述反射器的所述通孔处或所述通孔外，以使所述光接收器接收所述被测表面发出的固有辐射光线和所述反射器的反射面与被测表面之间的反射辐射光线并形成第二电信号；所述数据处理系统根据所述第一电信号和所述第二电信号形成所述被测表面的表面温度和发射率。

本发明第二方面提供一种表面温度和发射率的测量方法，所述测量方法包括采用本发明第一方面所述的测量装置测量所述表面温度和发射率。

优选地，所述第一电信号为第一电压信号，所述第二电信号为第二电压信号，所述测量方法包括：

第一测量位置辐射亮度表达式获得步骤，使所述吸收管处于第一测量位置，根据以下公式获得n个波长下或n个波段下的第一测量位置辐射亮度表达式：l1(λi,t)＝ε(λi)l0(λi,t0)，其中，l1(λi,t0)是所述光接收器接收所述被测表面发出的在波长λi下的辐射亮度，并由所述第一电压信号与所述光接收器的光谱响应函数获得；ε(λi)是所述被测表面在波长λi下的发射率；l0(λi,t0)是所述被测表面在相同条件下黑体的辐射亮度；i＝1～n，i、n为大于等于1的正整数；λi为有效波长，单位为米；t0为所述被测表面的表面温度，单位为k；

第二测量位置辐射亮度表达式获得步骤，使所述吸收管处于第二测量位置，根据以下公式获得n个波长下或n个波段下的第二测量位置辐射亮度表达式：l2(λi,t0)＝f(εi)l0(λi,t0)，其中，l2(λi,t0)是所述光接收器接收所述被测表面发出的在波长λi下的辐射亮度，并由所述第二电压信号与所述光接收器的光谱响应函数获得；f(εi)是所述反射器在波长λi下的有效发射率函数；

测量结果获得步骤，根据n个所述第一测量位置辐射亮度表达式l1(λi,t0)＝ε(λi)l0(λi,t0)和n个所述第二测量位置辐射亮度表达式l2(λi,t0)＝f(εi)l0(λi,t0)，同时计算出n个发射率εi和真实温度t0。

基于本发明提供的表面温度和发射率的测量装置和测量方法，由于吸收管可以在第一测量位置和第二测量位置之间切换，以上装置可以仅通过吸收管的运动使光接收器既能获得被测表面的固有辐射光线又能获得上述固有辐射光线加上反射器与被测表面之间的反射辐射光线，数据处理系统可以根据吸收管在不同测量位置得到的测量数据同时获得被测表面温度和发射率。

本发明基于第二类黑体辐射源理论，提出了带有反射器和相对于反射器位置可变的吸收管的反射转换器，实现两种辐射状态(反射辐射和固有辐射)的快速转换，除实现同时测量表面温度和发射率外，其优点还在于：

第一，测量精度提高，原因在于：1)为获得两种辐射状态，不需要移动反射器，反射器与被测表面的间隙可以更小甚至无间隙(反射器可与被测表面接触)，使得被测表面发出的经底面间隙逸出的辐射光线减少或消除，提高测量精度；2)只需移动吸收管，即可实现两种辐射状态的切换，相比于移动反射器，吸收管体积更小质量更轻，且移动更短的距离(若为半球型反射器，则需移动1倍半径距离)，从而切换速度更快，对表面温度场破坏更小，测量更精确；3)不需移动反射器，彻底消除了背景辐射干扰，在强背景辐射的工业现场也能够保证测量精度；4)不仅可测法向发射率，同时可设计吸收管与反射器的相对位置，从而测量非法向发射率。

第二，应用方面，由于不需要导轨、支撑架等辅助结构，且不需要移动反射器，所需测量空间小，安装要求少，成本低，便携，无背景辐射干扰；适用于有限空间场合，或需快速测量场合，或不能安装导轨支撑架的场合。如背景辐射显著的钢厂加热炉内钢坯表面，连铸坯表面等。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明第一实施例的测量装置的结构示意图。

图2为图1所示的测量装置在第一测量位置下的结构示意图。

图3为图1所示的测量装置在第二测量位置下的结构示意图。

图4为图1所示的测量装置中反射器的反射辐射光线示意图。

图5为本发明第三实施例的测量装置的结构示意图。

图6为本发明第五实施例的测量装置的结构示意图。

图1至图6中，各附图标记分别代表：

1、反射转换器；1-1、反射器；1-2、吸收管；2、光谱仪；3、驱动机构；4、导光结构；5、光接收器；6、数据处理系统；7、通孔；9、被测表面；10、反射面；11、球心；13、第二测量位置；14、第一测量位置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90°或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述做出相应解释。

本发明实施例提供一种表面温度和发射率的测量装置，该测量装置能够更精确地测量被测表面9的表面温度和发射率。

如图1至图6所示，本发明的测量装置包括反射转换器1、光接收器5和数据处理系统6。光接收器5与反射转换器1耦合，光接收器5接收由被测表面9发出的、并通过反射转换器1的辐射光线并将辐射光线转换为电信号。数据处理系统6与光接收器5耦合以接收电信号并根据电信号形成被测表面9的表面温度和发射率。反射转换器1包括反射器1-1和吸收管1-2。反射器1-1具有通孔7。吸收管1-2相对于反射器1-1位置可变地设置以使吸收管1-2在第一测量位置和第二测量位置之间切换。其中，在第一测量位置，吸收管1-2通过通孔7穿设于反射器1-1的内部至吸收管1-2的入光端接近或接触被测表面9以使光接收器5直接接收被测表面9发出的固有辐射光线并形成第一电信号；在第二测量位置，吸收管1-2的入光端位于反射器1-1的通孔7处或通孔7外以使光接收器5接收被测表面9发出的固有辐射光线和反射器1-1的反射面10与被测表面9之间的反射辐射光线并形成第二电信号。数据处理系统6根据第一电信号和第二电信号形成被测表面9的表面温度和发射率。

由于吸收管1-2可以在第一测量位置和第二测量位置之间切换，以上测量装置可以仅通过吸收管1-2的运动使光接收器5既能获得被测表面9的固有辐射光线，又能获得上述固有辐射光线加上反射器1-1的反射面10与被测表面9之间的反射辐射光线，数据处理系统6可以根据吸收管在不同测量位置得到的测量数据同时获得被测表面9的表面温度和发射率。

本发明基于第二类黑体辐射源理论，提出了带有反射器和相对于反射器位置可变的吸收管的反射转换器，实现两种辐射状态(反射辐射和固有辐射)的快速转换，除实现同时测量表面温度和发射率外，其优点还在于：

第一，测量精度方面：1)为获得两种辐射状态，不需要移动反射器，反射器与被测表面的间隙可以更小甚至无间隙(反射器可与被测表面接触)，使得被测表面发出的经底面间隙逸出的辐射光线减少或消除，提高测量精度；2)只需移动吸收管，即可实现两种辐射状态的切换，相比于移动反射器，吸收管体积更小质量更轻，且移动更短的距离(若为半球型反射器，则需移动1倍半径距离)，从而切换速度更快，对表面温度场破坏更小，测量更精确；3)不需移动反射器，彻底消除了背景辐射干扰，在强背景辐射的工业现场也能够保证测量精度；4)不仅可测法向发射率，同时可设计吸收管与反射器的相对位置，从而测量非法向发射率。

第二，应用方面，由于不需要导轨、支撑架等辅助结构，且不需要移动反射器，所需测量空间小，安装要求少，成本低，便携，无背景辐射干扰；适用于有限空间场合，或需快速测量场合，或不能安装导轨支撑架的场合。如背景辐射显著的钢厂加热炉内钢坯表面，连铸坯表面等。

可见，由于获取不同的辐射状态仅需移动吸收管，该测量装置的结构简单，测量速度快，便携且更易操作和布置。

优选地，第一电信号为第一电压信号，第二电信号为第二电压信号，数据处理系统6对第一电压信号和第二电压信号进行如下处理：

根据以下公式获得n个波长下或n个波段下的第一测量位置辐射亮度表达式：l1(λi,t)＝ε(λi)l0(λi,t0)，其中，l1(λi,t0)是光接收器5接收的由被测表面9发出的在波长λi下的辐射亮度，并由第一电压信号与光接收器5的光谱响应函数获得；ε(λi)是被测表面9在波长λi下的发射率；l0(λi,t0)是被测表面9在相同条件下黑体的辐射亮度；i＝1～n，i、n为大于等于1的正整数；λi为有效波长，单位为米；t0为被测表面9的表面温度，单位为k；

根据以下公式获得n个波长下或n个波段下的第二测量位置辐射亮度表达式：l2(λi,t0)＝f(εi)l0(λi,t0)，其中，l2(λi,t0)是光接收器5接收的由被测表面9发出的在波长λi下的辐射亮度，并由第二电压信号与光接收器5的光谱响应函数获得；f(εi)是反射器1-1在波长λi下的有效发射率函数；

根据n个第一测量位置辐射亮度表达式l1(λi,t0)＝ε(λi)l0(λi,t0)和n个第二测量位置辐射亮度表达式l2(λi,t0)＝f(εi)l0(λi,t0)，同时计算出表面温度t0和n个波长下的发射率εi。

其中，反射器1-1的反射面10优选地为球冠面。更优选地，反射面为半球面。

半球面的底面圆位于反射器1-1的底面上，可以在测量被测表面9的温度和发射率时，使反射器1-1直接放置于被测表面9上，而保证被测表面9与反射器1-1的相对位置，使反射器1-1的球心落入被测表面9上，提高测量结果的准确性。

当然，反射面10也可以为双曲面、圆柱面、抛物面、楔形面或圆锥面或其它类型的反射面。

在一个优选地实施方式中，反射面10为球冠面，例如为半球面，吸收管1-2为直管，在第一测量位置和第二测量位置，吸收管1-2的轴线经过球冠面的球心11。该设置可以提高测量结果的准确性。

在反射面10为球冠面的情况下，吸收管1-2的轴线与垂直于反射器的底面的直径所成夹角为θ，其范围为0°～80°。例如，夹角θ可以为0°、5°、10°、20°、30°、45°、55°、60°、70°、80°等。

通孔7的直径与球冠面的反射面10的直径的比值范围在保证顺利出光以及在需要时保证吸收管1-2可以顺畅穿过通孔7时越小越好，例如，可以是1/10～1/2，当然，也可以小于1/10。

为了实现吸收管1-2在第一测量位置和第二测量位置之间的切换，优选地，吸收管1-2沿自身轴线往复移动地设置。或者，吸收管可以为伸缩管，入光端位于伸缩管的伸缩部分的端部。以上设置中吸收管的结构均较为简单，运动过程的控制较为方便、准确。

例如，在吸收管为伸缩管、可以通过自身伸缩的方式实现在第一测量位置与第二测量位置之间的切换时，吸收管本身可以分为第一管体和第二管体两段管体，第一管体可以相对于反射器固定设置，第二管体相对于第一管体可伸缩地设置，入光端处于第二管体的远离第一管体的端部。在第一测量位置，第二管体从第一管体中伸出并伸入至使入光端与被测表面接近或接触。在第二测量位置，第二管体缩入第一管体中，并使入光端处于通孔处或通孔外。

优选地，吸收管1-2的内表面为粗糙表面且形成高吸收率的涂层。例如，可以通过使吸收管1-2的内表面设置内螺纹以形成粗糙表面，再进行氧化处理。该设置可以增加吸收管1-2的内壁的吸收率，以吸收射向内表面的辐射光线，而仅传递直接从吸收管1-2的中心孔传递的光线，使光吸收器5只接收来自被测表面9的固有辐射光线，此时反射器1-1的反射作用失效。

优选地，反射转换器1还包括导光结构4，导光结构4位于吸收管1-2和光接收器5之间。导光结构4用于将通过吸收管1-2的中心孔的辐射光线传递至光接收器5。优选地，导光结构4包括透镜组件和/或光纤。

光接收器5包括光电转换单元，光电转换单元用于将辐射光线转换为电信号。例如，光电转换单元包括一个或多个光电二极管，或者光电转换单元包括热电堆。

其中光电二极管的半导体材料包括但不局限于si、ingaas、ge等，光电二极管接收波长范围为0.25um～14um。

优选地，光接收器5还包括光谱仪2，光谱仪2分别与吸收管1-2和光电转换单元耦合。

光谱仪2接收的波长范围可以达到0.2um～1000um。光谱仪2例如可以为棱镜光谱仪、光栅光谱仪或傅立叶光谱仪。在导光结构4设置于吸收管1-2与光接收器5之间时，光谱仪2位于导光结构4和光电转换单元之间，例如设置于透镜组件和光电二极管之间。光谱仪2用于接收吸收管1-2或导光结构4传递的辐射光线，将辐射光线分为单色光，并将单色光传递给光电转换单元，最终使数据处于理系统6获得不同的波长或波段范围内的亮度温度与发射率的表达式。

为了控制吸收管1-2在第一测量位置和第二测量位置之间切换，测量装置还包括驱动机构3，驱动机构3包括动力装置8，动力装置8与吸收管1-2驱动连接以带动吸收管1-2在第一测量位置和第二测量位置之间切换。

其中优选地，数据处理系统6与动力装置8耦合以控制驱动机构3的动作。例如，动力装置8可以为电磁铁或电机或气动装置或液压装置。数据处理系统6可以通过控制电磁铁、电机或与气动装置或液压装置耦合的电磁阀等的得电或失电或得电时电流的大小来控制吸收管1-2的动作。

在一个优选的实施方式中，驱动机构3还包括中空盒体，动力装置8与吸收管1-2分别连接于中空盒体上，测量装置还包括导光结构4，导光结构4设置于吸收管1-2和光接收器5之间，其中，导光结构4位于中空盒体内。该设置可以使驱动机构3带动吸收管的运动不影响导光结构4的工作。

当然，驱动机构3并不是必须的，也可以通过人力直接或间接操控吸收管1-2的动作。

反射面10为镜面。镜面的形成可以通过机械抛光处理反射器的内表面后，再镀上具有高反射率的薄膜。优选地，薄膜为金属薄膜。金属薄膜的材质例如可以为金或银或铝等。更优选地，还可以在金属薄膜上再形成一层保护膜以防反射面被刮伤，例如氟化镁保护膜。

测量装置还包括测量结果输出装置，例如显示装置或发声装置。测量结果输出装置与数据处理系统耦合，以输出数据处理系统形成的测量结果。

本发明提供一种精确测量被测表面9的表面温度和发射率的测量方法，该测量方法包括采用以上任一测量装置测量被测表面9的发射率和温度。

该测量方法优选地包括以下步骤：

第一测量位置辐射亮度表达式获得步骤，使吸收管1-2处于第一测量位置，根据以下公式获得n个波长下或n个波段下的第一测量位置辐射亮度表达式：l1(λi,t)＝ε(λi)l0(λi,t0)，其中，l1(λi,t0)是光接收器5在波长λi下的辐射亮度，由第一电压信号与光接收器5的光谱响应函数获得；ε(λi)是被测表面9在波长λi下的发射率；l0(λi,t0)是被测表面9在相同条件下黑体的辐射亮度；i＝1～n，i、n为大于等于1的正整数；λi为有效波长，单位为米；t0为被测表面9的表面温度，单位为k；

第二测量位置辐射亮度表达式获得步骤，使吸收管1-2处于第二测量位置，根据以下公式获得n个波长下或n个波段下的第二测量位置辐射亮度表达式：l2(λi,t0)＝f(εi)l0(λi,t0)，其中，l2(λi,t0)是光接收器5在波长λi下的辐射亮度，由第二电压信号与光接收器5的光谱响应函数获得；f(εi)是反射器1-1在波长λi下的有效发射率函数；l0(λi,t0)是被测表面9在相同条件下黑体的辐射亮度；i＝1～n，i、n为大于等于1的正整数；λi为有效波长，单位为米；t0为被测表面9的表面温度，单位为k；

测量结果获得步骤，根据n个第一测量位置辐射亮度表达式l1(λi,t0)＝ε(λi)l0(λi,t0)和n个第二测量位置辐射亮度表达式l2(λi,t0)＝f(εi)l0(λi,t0)，同时计算出n个发射率εi和真实温度t0。

本发明并不限制第一测量位置辐射亮度表达式获得步骤和第二测量位置辐射亮度表达式获得步骤的次序，即第一测量位置辐射亮度表达式获得步骤可以在第二测量位置辐射亮度表达式获得步骤之前，也可以在第二测量位置辐射亮度表达式获得步骤之后，在n大于1时，还可以是第一测量位置辐射亮度表达式获得步骤与第二测量位置辐射亮度表达式获得步骤交叉执行，在交叉执行的过程中也不限制交叉的次序或每次交叉时获得表达式的数量。

例如，n为2时，可以是先在第一测量位置使数据处理器6获得两个波长下或两个波段下的辐射亮度的表达式，再在第二测量位置使数据处理器6获得两个波长下或两个波段下的辐射亮度的表达式；也可以是先在第二测量位置使数据处理器6获得两个波长下或两个波段下的辐射亮度的表达式，再在第一测量位置使数据处理器6获得两个波长下或两个波段下的辐射亮度的表达式；还可以是先在第一测量位置使数据处理器6获得第一个波长下或第一个波段下的辐射亮度的表达式，再在第二测量位置使数据处理器6获得第一个波长下或第一个波段下的辐射亮度的表达式，然后在第二测量位置使数据处理器6获得第二个波长下或第二个波段下的辐射亮度的表达式，再在第一测量位置使数据处理器6获得第二个波长下或第二个波段下的辐射亮度的表达式等等。总之，只要能获得需要数量的表达式，获得辐射亮度的表达式的次序在本发明中不受限制。

其中，在第二测量位置辐射亮度表达式获得步骤，有效发射率函数可以根据测量装置的物理参数通过推导或模拟形成，物理参数包括反射面10的光谱反射率、反射面10的几何参数、反射面10与被测表面9的测量距离、吸收管1-2与反射器2的位置参数和被测表面9的发射和反射特性。在反射面10的结构简单，用数学表达式易描述的情况下，例如在反射面10为半球面的情况下，可以通过推导的方式形成有效发射率函数；而在反射器1-1及反射面10的形状复杂的情况下，例如在反射面为双曲面或圆柱面等情况下则可以形成经验公式或图表等形式表达。

在一个优选地实施方式中，反射器1-1的反射面10是球冠面，温度测量方法还包括：在测量时保证反射面10的球心正好落在被测面上且保持不变。该设置利于获得准确的测量结果。

此时，可以采用公式进行描述的一个例子为：在被测表面9为漫发射、漫反射表面，反射器1-1的反射面10是半球面，吸收管1-2的轴线与被测表面9夹角为90°时，有效发射率函数为：

其中，ρi为反射器1-1的光谱反射率；r为通孔的半径，单位为米；r为反射器的半径，单位为米。

以上测量方法具有与对应的测量装置相应的优点。

以下将进一步结合图1至图6对本发明各实施例进行更详细的说明。

第一实施例

图1至图3示出了本发明第一实施例的测量装置的结构和工作原理。

如图1至图3所示，第一实施例的测量装置包括反射转换器1、驱动装置3、光接收器5、数据处理系统6和作为测量结果输出装置的显示装置。

反射转换器1包括反射器1-1、吸收管1-2和光导结构4。本实施例中，光导结构4具体地为透镜组件。

反射器具有通孔7，反射器1-1的反射面10为半球面。其中，反射器1-1的反射面10为半球面。反射器1-1的底面为平面，半球面的底面圆位于底面上。

本实施例中，反射器1-1的通孔7的直径与反射面10的直径的比值是0.16。

为了使吸收管1-2顺利地在通孔7内运动，吸收管1-2的外径小于通孔7的直径。为了使吸收管1-2的入光端达到相应的测量位置，吸收管1-2的长度大于反射器1-1的半球面的半径。

第一实施例中，吸收管1-2相对于反射器1-1位置可变地设置以使吸收管1-2在第一测量位置和第二测量位置之间切换。如图2所示，在第一测量位置，吸收管1-2通过通孔7穿设于反射器1-1的内部至吸收管1-2的入光端处于低位14，接近或接触被测表面9以使光接收器5直接接收被测表面9发出的固有辐射光线。如图3所示，在第二测量位置，吸收管1-2的入光端处于高位13，位于反射器1-1的通孔7处或通孔7外以使光接收器5接收被测表面9发出的固有辐射光线和反射器1-1的反射面10与被测表面9之间的反射辐射光线。

光接收器5与反射转换器1耦合。光接收器5接收反射转换器1的辐射光线并将辐射光线转换为电信号。本实施例中，光接收器5通过与透镜组件耦合实现与反射转换器1的耦合。

数据处理系统6与光接收器5耦合以接收电信号并根据电信号形成被测表面9的表面温度和发射率。

显示装置与数据处理系统6耦合，显示数据处理系统形成的表面温度和发射率。

吸收管1-2为直管。在第一测量位置和第二测量位置，吸收管1-2的轴线经过球冠面的球心11。测量时，反射器1-1与被测表面9接触，保证反射面10的球心11在被测表面9上且保持不变。

在本实施例中，吸收管1-2的轴线与垂直于反射器1-1的底面的直径所成夹角为0°。在测量时吸收管1-2的轴线与被测表面9成90°角。

本实施例中，在吸收管1-2的内表面设置内螺纹以形成粗糙表面，并在吸收表面形成具有高吸收率的涂层作为吸收层。

导光结构4位于吸收管1-2和光接收器5之间。本实施例中导光结构4包括透镜组件。在导光结构4包括透镜组件时，吸收管1-2在测量时需对准在被测表面9上的光斑，光斑位于半球面的球心处。

光接收器5包括光电转换单元，光电转换单元用于将辐射光线转换为电信号。本实施例中，光电转换单元包括光电二极管。

在本实施例中具体地，光电转换单元包括两个重叠式结构的光电二极管。该光电转换单元可同时接收两个波段的光能量。因此，该实施例的测量装置在第一测量位置和第二测量位置可以分别获得两个辐射亮度的表达式。从而数据处理系统6可以利用获得的四个表达式计算得出包括两个波段或波长下的表面温度和发射率。

为了实现吸收管1-2在第一测量位置和第二测量位置之间的切换，吸收管1-2沿自身轴线往复移动地设置。该设置中吸收管1-2的结构简单，运动过程控制方便、准确。

为了更好地测量，准确适时地控制吸收管1-2在第一测量位置和第二测量位置之间切换，驱动装置3与吸收管1-2驱动连接，数据处理系统6还与驱动装置3耦合以控制驱动装置3动作，从而实现自动控制吸收管1-2在第一测量位置和第二测量位置之间切换。

如图1至图3所示，驱动机构3包括动力装置8，动力装置8与吸收管1-2驱动连接以带动吸收管1-2在第一测量位置和第二测量位置之间切换。本实施例中，动力装置8具体地为电磁铁。数据处理系统6与电磁铁耦合以通过控制电磁铁的得电或失电控制吸收管1-2的动作。具体地，驱动机构3由电磁铁带动，当电磁铁断电时，电磁铁上的弹簧将吸收管1-2推至第一测量位置(低位)并保持；当电磁铁通电时，带动吸收管1-2至第二测量位置(高位)。

如图1至图3所示，在一个优选的实施方式中，驱动机构3还包括中空盒体，动力装置8与吸收管1-2分别连接于中空盒体上。导光结构4位于中空盒体内。

本实施例中，反射器1-1由不锈钢制成。反射面10经过机械抛光处理再镀上一层金以形成镜面，然后再在镀金表面形成一层氟化镁保护膜以防刮伤反射面10。

本实施例中，吸收管1-2和驱动机构3相对于反射器1-1、光接收器5和数据处理系统6是可往复移动的。吸收管1-2的移动方向为吸收管1-2轴线方向。吸收管1-2的轴线经过球心11。吸收管1-2的上端与驱动机构3连接，下端作为入光端可穿过通孔7和反射面10伸入反射器1-1内部。在第一测量位置，吸收管1-2朝着球心11方向运动，直至下端与被测表面9接近或接触，吸收管1-2的入光端即处于图2所示的低位14；在第二测量位置，吸收管1-2抽离至入光端位于反射器1-1的反射面10以外即处于如图3所示的高位13。

作为导光结构4的透镜组件一端对着半球面的球心11，另一端对着作为光接收器5的光电二极管。导光结构4形成了接收光路的一部分。被测表面9的光斑处发出的辐射光线经吸收管1-2内部射入透镜组件，透镜组件将辐射光线汇聚在光电二极管的接收面上。

本实施例中，透镜组件4形成的接收光路满足两个条件：a.光斑的位置正好在球心处；b.光斑的直径小于吸收管1-2内径，吸收管1-2在第一测量位置和第二测量位置时，不阻挡接收光路。例如，本实施例中，光斑直径与半球面的直径的比值是0.02。

第二实施例

第二实施例为一个采用第一实施例的测量装置测量被测表面9的表面温度和发射率的测量方法。

在本实施例中，该测量方法的具体测量步骤如下：

第一测量位置辐射亮度表达式获得步骤。使测量装置的反射器1-1位于被测表面9上，通过驱动机构3带动吸收管1-2移动至第一测量位置并保持不动，将测量装置的反射器1-1放置在被测表面9上，使反射器1-1与被测表面9接触并保持，此时反射器1-1的反射作用失效，球心11处发出的辐射能量一部分被吸收管1-2的内表面吸收，另一部分沿吸收管1-2的轴线方向，经过透镜组件投射到光电二极管上。数据处理器6获得两个波段下的第一测量位置辐射亮度表达式：

l1(λi,t)＝ε(λi)l0(λi,t0)

其中，i＝1、2；l1(λi,t0)是光接收器(5)在波长λi下的辐射亮度，ε(λi)是被测表面(9)在波长λi下的发射率，l0(λi,t0)是被测表面(9)在相同条件下黑体的辐射亮度；λi为有效波长，单位为米；t0为被测表面(9)的表面温度，单位为k。

该第一测量位置辐射亮度表达式获得步骤中，第一测量位置辐射亮度表达式l1(λi,t)＝ε(λi)l0(λi,t0)可以采用不同的具体表达形式。例如，在本实施例中采用如下公式：其中，i＝1～n，i、n为大于等于1的正整数；λi为有效波长，单位为米；tbi为吸收管1-2处于第一测量位置、波长λi状态下的亮度温度，单位为k；t0为被测表面9的真实温度，单位k；εi为波长λi，温度t0条件下的发射率。

第二测量位置辐射亮度表达式获得步骤。保持测量装置的反射器1-1位于被测表面9上，通过驱动机构3带动吸收管1-2移动至第二测量位置并保持，此时反射器1-1对球心11处具有反射作用，球心11处发出的辐射光线一部分被光接收器5直接接收，另一部分在反射器1-1与球心11的多次反射过程中，被光接收器5接收。此时数据处理器6获得两个波段下的第二测量位置辐射亮度表达式：

l2(λi,t0)＝f(εi)l0(λi,t0)

其中，i＝1、2；l2(λi,t0)是光接收器(5)在波长λi下的辐射亮度；f(εi)是反射器(1-1)在波长λi下的有效发射率函数；l0(λi,t0)是被测表面(9)在相同条件下黑体的辐射亮度；λi为有效波长，单位为米；t0为被测表面(9)的表面温度，单位为k。

该第二测量位置辐射亮度表达式获得步骤中，第二测量位置辐射亮度表达式l2(λi,t0)＝f(εi)l0(λi,t0)可以采用不同的具体表达形式。例如，在本实施例中采用如下公式：其中tai为吸收管1-2处于第二测量位置、波长λi状态下的亮度温度，单位为k；f(εi)为反射器1-1的有效发射率函数。

如图4所示，本实施例中，反射面10设置为半球面，且在测量时反射面与测量表面的位置关系为半球面的球心处在被测表面9上，图4中，由于光线的对称性只画出法向右边的辐射光线。在该情况下，光斑具有如下特点：

1)光斑处辐射光线路线简单。光斑处发出的所有辐射光线经半球面只经一次反射后均被反射回原点，经被测表面9反射后再经半球镜反射回原点，依此类推；同时，在被测表面9除光斑以外其他点发出的辐射光线均不落在光斑处；

2)光斑处为‘孤立’的辐射点。由于光斑处与非光斑处无热辐射交换，所以测量范围只有光斑处的温度和发射率，与非光斑处状态无关。当被测表面9的发射率和温度分布不均匀，甚至被测表面9的面积小于半球镜覆盖面积时，均不影响测量结果。

以上2点决定，其f(ε)表达式是可以精确计算出的，只与光斑处的固有发射率、反射器的反射率有关。

由于半球型反射的球心在被测表面9上，光斑11和反射器1-1的反射辐射光线路线简单，其f(εi)表达式可精确求出：其中，ρi为反射器1-1的光谱反射率，r、r分别为通孔7半径和反射器1-1的半径。

测量结果获得步骤。将测量装置移开被测表面9，根据第一测量位置辐射亮度表达式获得步骤和第二测量位置辐射亮度表达式获得步骤获得的4个方程l1(λi,t0)＝ε(λi)l0(λi,t0)和l2(λi,t0)＝f(εi)l0(λi,t0)(本实施例中具体地为和其中tbi和tai分别为第一、第二测量位置的亮度温度，单位为k)由数据处理系统6同时计算出被测表面9的两个发射率εi和真实温度t0，并在显示装置上显示测量结果。

4个方程中，tbi、tai、λi均可通过测量装置直接测得，c2为常数，反射器1-1的光谱反射率ρi是反射器1-1的物理属性，与被测表面的状态无关。由现有技术可知，若反射面10镀金，则ρi在红外谱段λ>1um近乎相等。则可假设ρi＝ρ为与波长无关的未知数，则有4个方程有4个未知数，包括两个发射率ε1、ε2、反射率ρ和表面温度t0，通过求解非线性方程组即可得到发射率和表面温度值。

第二实施例中其它未说明的部分均可参考其它各实施例的相关内容。

第三实施例

如图5所示，本实施例与第一实施例的差别在于，吸收管1-2的轴线与垂直于反射器1-1的底面的直径形成一夹角θ，从而在测量时，将底面置于被测表面9之后，吸收管1-2的轴线与被测表面9的法向成一夹角θ。本实施例可测量θ角方向发射率。本实施例中夹角θ为30°。

第三实施例中其它未说明的部分均可参考其它各实施例的相关内容。

第四实施例

如图6所示，第四实施例与第一实施例的不同之处在于，测量装置的反射转换器1中导光结构4为光纤。另外，光接收器5还包括光谱仪2。光谱仪2具体地为傅立叶光谱仪。经吸收管1-2进入反射转换器1的辐射光线经光纤4导入光谱仪2中，再由光谱仪2分解成单色光，再投射到光电二极管中。

第四实施例中其它未说明的部分均可参考其它各实施例的相关内容。

第五实施例

第五实施例是采用第一实施例的一个变形例的测量装置测量被测表面9的表面温度和发射率的一个测量方法。该变形例中，光电转换单元包括一个光电二极管，该光电二极管接收一个波段的辐射光线。与第二实施例不同的是，数据处理器6只获得该一个波段下的辐射亮度的表达式，在第一测量位置和第二测量位置的表达式分别为：l2(λ1,t0)＝εa(λ1)l0(λ1,t0)和l2(λ1,t0)＝f(ε1)l0(λ1,t0)。此时反射率ρ1由经验给出，此时只有两个未知数ε1和t0，利用两个方程可同时求解这两个未知数。

第五实施例中其它未说明的部分均可参考其它各实施例的相关内容。

第六实施例

第六实施例是采用反射器的反射面为非半球面(反射面为非球面结构，或反射器为球面但球心不在被测面上)的测量装置测量被测表面9的表面温度和发射率的一个测量方法。

由于该反射器的反射面为非球面结构，或反射器为球面但球心不在被测面上，有效发射率函数f(εi)的表达式与第二实施例不同。其有效发射率函数f(εi)的表达式可以根据经验公式或仿真计算获得：

f(εi)＝f(εi,ρi,θ,h,ω,η)

其相关参数为，根据所述测量装置所述物理参数包括反射面10的光谱反射率ρi、反射面10的几何参数ω、反射面10与被测表面9的测量距离h、吸收管1-2轴线与被测表面9的角度θ，和被测表面9的发射和反射特性参数η。

第六实施例中其它未说明的部分均可参考其它各实施例的相关内容。

本发明以上实施例的测量被测表面9的表面温度和发射率的测量装置或测量方法具有便携、所需测量空间小，无背景辐射干扰，使用方便、测量精度高的优点。本发明可用于表面温度和发射率的在线测量，用于设置一般辐射测温仪的发射率参数，也可作为发射率和表面温度的计量标准器，也可应用到计量测试部门。

本发明并不限于以上实施例，例如，如果测量移动的被测表面的温度和发射率，则可以采用非半球形的球冠面或双曲面作为反射器的反射面。此时，反射器的反射面与被测表面当保持一定的距离，使被测表面相对于测量装置的反射器之间相对运动保持顺畅。在反射面为球冠面时测量过程中有利地使球冠面的球心保持位于被测表面上。在反射面为双曲面时测量过程中有利地使反射器和被测表面之间的距离处于有效测量范围之内。

在采用本发明的测量装置测量移动的被测表面时，虽然在吸收管处于第一测量位置和第二测量位置时对准的被测表面的测量点发生变化，但对于一个连续的被测表面而言，其一定区域内的温度和发射率并不会发生剧烈的变化，因此，此时测得的表面温度和发射率虽然不是由被测表面的同一测量点的参数获得，但仍然是测得的结果仍然可以代表一定区域范围内的被测表面的表面温度和发射率，因此，同样具有实际意义。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。