一种辐射率测量装置及方法与流程

本发明涉及材料的物理性质测量领域，尤其涉及材料表面辐射率测量领域。

背景技术：

辐射率是指衡量物体表面以辐射的形式释放能量相对强弱的能力，也称为发射率。物体表面的辐射率等于物体在一定温度下辐射的能量与同样温度下黑体辐射能量的比。黑体的辐射率等于1，其他物体的辐射率介于0和1之间。

辐射率的测量，对于研究材料的表面物理性质，评价其热反射能力，至关重要。常用的检测方法有红外光谱积分法、接触式或者感应式面电阻法等。在现有技术中，测量物体辐射率时，接触式测量得到的温度很难转换为物体表面的红外辐射温度，进而给测量带来了附加误差。红外线测温仪的镜头温度、空腔温度、待测物体温度与辐射源温度各不相等，会形成复杂的多次反射和发射，这些干扰也难以排除。

本发明采用测量对比法可以排除上述干扰，从而准确地测量、计算出待测物体表面的辐射率。并且本发明体积较小，方便携带，不受检测场地的限制，既可以在室内使用，也可以对已经安装到建筑物上的材料进行检测，还可以在不拆卸待测材料的情况下，直接测量材料的辐射率，不限制待检测物体的尺寸，因此，扩大了可检测物体的范围，提高了本装置的适用性。此外，本发明通过液晶显示器显示辐射率测量装置的操作步骤，极大地简化了操作方法，降低了因操作引起的测量误差。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是如何准确、简便地测量材料表面辐射率并扩大辐射率测量装置的适用范围的问题。

为了解决上述技术问题，排除测量过程中产生的附加误差和多次反射、发射带来的干扰，简化辐射率测量装置的操作方法，扩大待检测材料的检测范围，提高本辐射率检测装置的适用性。

本发明具体是以如下技术方案实现的：

一种辐射率测量装置，所述装置包括：绝缘隔热筒、热电堆式辐射热流计、电加热板和微控制器主板，所述绝缘隔热筒是一端具有开口的壳体，并且所述绝缘隔热筒的内壁是圆筒形，所述热电堆式辐射热流计、电加热板和微控制器主板设置在所述壳体内部，所述电加热板的一面为向外辐射热能的辐射面，电加热板辐射面与待测材料表面以及所述绝缘隔热筒的侧壁形成密闭空腔，所述热电堆式辐射热流计设置在所述电加热板的辐射面的中心位置；

所述热电堆式辐射热流计用于测量流过的热通量并输出测量结果，所述电加热板用于做提升密闭空腔温度的热辐射源，所述微控制器主板用于处理信号并计算得出辐射率。

具体地，所述电加热板是板型的红外辐射加热装置，其辐射面朝向待测材料的表面，并且其辐射面的外表面涂有黑色材料。

进一步地，所述热电堆式辐射热流计测量流过的热通量后，再通过导线将测量结果传送到所述微控制器主板上。

进一步地，所述微控制器主板上的信号调理电路和信号放大电路用于对所得电信号进行处理，ad采样电路用于对处理后的电信号进行测量，得出热电堆式辐射热流计的输出电动势。

进一步地，所述微控制器主板上的微控制器将根据公式：

ε3＝ε1+(ε2-ε1)*(e3-e1)/(e2-e1)

计算得出待测材料的表面辐射率ε3，其中，ε1和ε2分别是标准样片一和标准样片二的表面辐射率，e1、e2和e3是由测量得到的标准样片一、标准样片二和待测材料的表面辐射率对应的所述热电堆式辐射热流计的输出电动势。

进一步地，所述微控制器中设有内置算法，用于保证所述测量结果的准确性和稳定性。

进一步地，本装置还包括液晶显示控制板，所述液晶显示控制板设置在所述绝缘隔热筒外表面上，用于提示操作步骤，并显示测量结果，用户只需根据所述液晶显示控制板上的提示操作即可。

一种辐射率测量方法，所述方法包括：

电加热板的辐射面开始发出热辐射；

热电堆式辐射热流计测量流过的热通量，并输出测量结果；

微控制器主板上的信号处理单元，接收并处理来自热电堆式辐射热流计的电信号；

微控制器主板上的测量单元，测量经过信号处理单元处理的电信号；

微控制器主板上的微控制器，响应于测量单元的测量结果，计算得出待测材料的表面辐射率。

具体地，辐射率测量装置开机后，其中的电加热板的辐射面开始向外发出热辐射，逐渐提升电加热板辐射面、绝缘隔热筒侧壁和待测材料表面形成的密闭空腔的温度，使得密闭空腔达到热平衡状态。

进一步地，热电堆式辐射热流计测量流过的热通量，并通过导线将测量结果传送到微控制器主板上。

进一步地，当来自热电堆式辐射热流计的测量结果接入微控制器主板后，经过信号调理电路和信号放大电路处理，再由ad采样电路对标准样片一、标准样片二和待测材料的表面辐射率对应热电堆式辐射热流计的输出电动势进行测量，得出电动势e1、e2和e3。

进一步地，微控制器根据测得的电动势e1、e2和e3，以及两种标准样片的表面辐射率，计算得出待测材料的表面辐射率。

进一步地，还有液晶显示控制板显示出测量结果，在测量过程中，液晶显示控制板还会显示操作步骤，提示操作。

采用上述技术方案，本发明所述的一种辐射率测量装置及方法，具有如下有益效果：

1)本发明提供的辐射率测量装置不直接测量温度，排除了外界温度的干扰及测量的附加误差，准确地测量并计算出材料表面的辐射率；

2)本发明提供的辐射率测量装置内置微控制器，对采集到的数据进行计算，并且内置算法保证了测量结果的准确性和稳定性；

3)本发明提供的辐射率测量装置体积较小，方便携带，不限制待检测样品尺寸，可以在不拆解材料的条件下，直接测量材料的表面辐射率，进而扩大了可检测样品的范围，提高了辐射率测量装置的适用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种辐射率测量装置；

图2为本发明实施例提供的一种辐射率测量装置使用方法；

图3为本发明实施例提供的一种智能测量电路的组成图；

图4为本发明实施例提供的一种高精度ad采样电路模块示意图；

图5为本发明实施例提供的一种ad采样电路图；

图6为本发明实施例提供的一种辐射率测量方法流程图。

以下对附图作补充说明：

1-散热器，2-待测材料，3-绝缘隔热筒，4-热电堆式辐射热流计，5-电加热板，6-电源，7-微控制器主板，8-液晶显示控制板，100-高精度ad采样电路，200-arm微控制器，300-tft液晶显示器，400-双按钮，101-信号放大模块，102-电压跟随模块，103-ad采样模块，104-负电源发生模块。

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。

本发明实施例中提供了一种辐射率测量装置，如图1所示，所述装置包括：绝缘隔热筒3、热电堆式辐射热流计4、电加热板5和微控制器主板7；

所述绝缘隔热筒3是一端具有开口的圆柱形壳体，所述热电堆式辐射热流计4、电加热板5和微控制器主板7设置在所述壳体内部，所述电加热板5的一面为向外辐射热能的辐射面，所述电加热板5辐射面与待测材料2表面以及所述绝缘隔热筒3的侧壁形成密闭空腔，所述热电堆式辐射热流计4设置在所述电加热板5辐射面的中心位置；

所述热电堆式辐射热流计4用于测量流过的热通量并输出测量结果，所述电加热板5用于做热辐射源，所述微控制器主板7用于处理电信号并计算待测材料2的表面辐射率。

具体地，所述电加热板5是板型的红外辐射加热装置，其辐射面朝向待测材料2的表面，并且其辐射面是一个平面，由扁平的电阻板组成，电阻板的正面涂有反射系数大的材料，反面涂有反射系数小的材料，热能由正面辐射出去，电阻板的正面与电加热板的辐射面朝向一致。

可选地，所述电加热板5辐射面的外表面上涂有黑色材料，所述黑色材料优选为陶瓷纤维黑漆，模拟黑体表面，所述电加热板5用于作为能够提升温度的热辐射源。

具体地，当所述辐射率测量装置开机后，所述电加热板5开始预热，逐渐提升电加热板5、绝缘隔热筒3和待测材料2表面三者共同形成的密闭空腔的温度，使密闭空腔达到热平衡状态。当所述密闭空腔达到热平衡状态时，所述电加热板5与待测材料2表面成为基尔霍夫定律给出的两个无限大平板间漫射表面的模型。

具体地，所述热电堆式辐射热流计4用于根据流过的热通量产生电动势，并通过导线将产生的电信号接入所述微控制器主板7，并且测量不同材料时，由于材料表面的辐射率不同，热电堆式辐射热流计的输出电动势不一样。

具体地，所述微控制器主板7还包括：信号调理电路、信号放大电路、ad采样电路和微控制器，信号调理电路和信号放大电路用于处理信号，ad采样电路用于测量材料2表面辐射率对应热电堆式辐射热流计4的输出电动势e，在本实施例中，所述ad采样电路需要测量标准样片一、标准样片二和待测材料2的表面辐射率对应所述热电堆式辐射热流计4的输出电动势e1、e2和e3。

进一步地，微控制器会根据测量所得的电动势e1、e2和e3，以及公式:

ε3＝ε1+(ε2-ε1)*(e3-e1)/(e2-ε1)

计算出待测材料2表面的辐射率ε3,其中，标准样片一的辐射率ε1和标准样片二的辐射率ε2已知。

进一步地，测量过程中，微控制器中的内置算法会对测量结果进行判断，确保测量结果的准确和稳定。

具体地，所述绝缘隔热筒3的内壁优选为圆筒形，所述绝缘隔热筒3采用绝缘隔热材料制作，排除了外界温度对测量的干扰，所述辐射率测量装置开机后，所述电加热板5开始工作，所述绝缘隔热筒3与电加热板5、待测物体2表面形成的密闭空腔会逐渐达到热平衡状态。

具体地，本发明还包括液晶显示控制板8，所述液晶显示控制板8的液晶显示屏会向操作者提示操作步骤，并显示所得辐射率，操作者只需要按照屏幕提示进行操作即可，极大地简化了用户的操作方法，降低了因操作不当引起的测量误差。

进一步地，在本实施例的一种实施方式中，所述辐射率测量装置用于在室内测量材料的表面辐射率。当在室内测量一小块材料的表面辐射率时，可以用到散热器1，保证材料温度与室内温度一致，避免因温差引起的反射和发射影响测量结果的准确性。测量时，所述辐射率测量装置、待测材料2和散热器1三者之间的位置关系如图1所示。

在本发明的一个可行的实施例中提供了一种本发明的使用方法，因为所述辐射率测量装置体积较小，方便携带，可以单手握持，方便在室外使用，所以所述辐射率测量装置还可以直接在室外测量建筑物表面材料的表面辐射率。具体地，测量时，所述辐射率测量装置和待测材料之间的位置关系如图2所示，所述辐射率测量装置与实施例1一样。在室外测量建筑物材料的表面辐射率时，可以直接手持所述辐射率测量装置对材料进行测量，不需要将材料拆解下来。

本发明另一个可行的实施例中提供了一种智能测量电路。具体地，智能电路的组成如图3、4、5所示，所述智能测量电路包括：高精度ad采样电路100、arm微控制器200、tft液晶显示器300和双按钮400；

所述高精度ad采样电路100又包括信号放大模块101、跟随模块102、ad采样模块103和负电源发生模块104，热电堆式辐射热流计输出的测量结果经过信号放大模块101和电压跟随模块102后，再由ad采样模块103测量不同材料的表面辐射率对应的热电堆式辐射热流计的输出电动势。

所述arm微控制器200，用于根据ad采样模块103测量得到的不同材料的表面辐射率对应的热电堆式辐射热流计的输出电动势和公式：

ε3＝ε1+(ε2-ε1)*(e3-e1)/(e2-e1)

计算得到待测材料的表面辐射率ε3，ε1和ε2分别是标准样片一和标准样片二的表面辐射率，e1、e2和e3是由测量得到的。

所述tft液晶显示器300，用于向操作者提示操作步骤，并且显示测量结果，简化了操作步骤，并且减少了因不当操作引起的测量误差。

所述双按钮400，用于控制操作arm微控制器200。

本发明一个可行的实施例中提供了一种辐射率测量方法。具体地，如图6所示，所述辐射率测量方法包括：

s100.电加热板的辐射面开始向外发出热辐射，具体地，所述辐射率测量装置开机后，所述电加热板随即开始工作，并逐渐提升电加热板辐射面、绝缘隔热筒侧壁和待测材料表面三者共同形成的密闭空腔的温度，使得密闭空腔达到热平衡状态，此时，电加热板与待测材料表面近似于基尔霍夫定律描述的两块无限大平板。

可选地，为了使电加热板的辐射面更加接近于黑体表面，所述电加热板辐射面的外表面上涂有黑色材料，所述黑色材料优选为陶瓷纤维黑漆。

s200.热电堆式辐射热流计测量流过的热通量，并且通过导线将测量得到的信号传送到微控制器主板上；

s300.微控制器主板上的信号处理单元，所述信号处理单元包括：信号调理电路和信号放大电路，接收来自热电堆式辐射热流计的电信号，并对所述电信号进行调理和放大；

s400.微控制器主板上的测量单元包括：ad采样电路，测量经过信号处理单元处理的电信号，得到热电堆式辐射热流计的输出电动势；

s500.微控制器主板上的微控制器，响应于测量单元得到的标准样片1、标准样片2和待测材料对应的热电堆式辐射热流计的输出电动势e1、e2和e3，再根据公式:

ε3＝ε1+(ε2-ε1)*(e3-e1)/(e2-e1)

计算出所测材料表面的辐射率ε3,已知标准样片1的辐射率ε1和标准样片2的辐射率ε2。并且微控制器的内置算法会对测量结果进行进一步地判断，确保测量结果的准确性和稳定性。

优选地，本发明测量辐射率采用的是测量对比法，排除了测量过程中由于外界因素影响而引起的误差。

进一步地，当微控制器计算得出待测材料的表面辐射率后，液晶显示控制板的屏幕会显示出测量结果。

在本实施例中，操作者通过液晶显示控制板上的液晶显示屏可以看见操作提示，只需要根据操作提示进行每一步操作，就可以成功测得材料表面的辐射率。这大大简化了操作步骤，使得所述辐射率测量装置更为智能化，也减少了因不当操作引起的测量误差。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。