一种表面发射率在线测试装置及其方法与流程

本发明涉及一种表面发射率测量技术，尤其是涉及一种表面发射率在线测试装置及其方法。

背景技术：

表面发射率(也称辐射率、黑度系数等)是表征物质表面辐射本领的物理量，是一项重要的热物性参数，在许多工业及科研领域都具有重要的应用。例如，进行非接触红外测温或者红外温度成像的应用中，准确地设置目标物体表面的发射率是保证测温精度的前提条件。

此外，在涉及发射率测量的许多应用中，通常希望发射率的测试能够快速、在线的测出，而不希望对目标物体进行破坏性的切片取样，而后送实验室检验。例如，在卫星发射前，卫星蒙皮的热发射率需要在发射场当地完成最后的检定。再比如，汽车发动机工作状态下表面红外温度的测量，发动机表面的发射率测量也难以进行切片式的实验室测量。

然而，目前测量物体表面发射率的测试手段一般在实验室内完成，且需要热稳态条件，测试时间长，受限制较多。而且，物体表面发射率并不是物质的本征参数，它不仅与物质组分有关，还与其表面粗糙度、温度、考察波长等因素有关，难以建立完备的发射率数据库。现有的实验室测量方法在测量精度和重复性方面都不尽人意，特别是国防、军事、材料科学和能源领域的快速发展，迫切需要建立精确快速的发射率现场测量装置。

传统的基于量热法的测量装置，一般采用稳态测量，耗时长，对各种参数如温度、热容精度要求高，无法在线完成测量。中国专利cn104865287a公布了一种快速测量表面红外半球发射率的装置，但该装置需要两个保持不同温度的恒温腔体，还需要旋转机械结合锁相放大器等装置进行测量，其测量过程和装置的结构都较为复杂。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种表面发射率在线测试装置及其方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种表面发射率在线测试装置，该装置包括：

已标定发射率的薄膜：测试时附着于被测目标物体上待测量局部表面附近；

加热单元：测试时提升被测目标物体的表面温度；

传感器模块：同步测量薄膜表面及被测目标物体上待测量局部表面的红外辐射并转化为温度信息，同时获取传感器模块自身的温度信息；

控制处理单元：连接加热单元和传感器模块，用于供电和数据输出，并根据获取的温度信息得到被测目标物体上待测量局部表面的发射率。

优选地，所述的薄膜厚度小于1mm，薄膜通过背胶粘贴或喷涂的方式紧密附着于被测目标物体的表面，所述的薄膜在5-14um波段的透射率小于1％，而且其在5-14um波段的发射率已知。

优选地，所述的传感器模块包括两个临近设置的热电堆传感器，测试时，其中一个热电堆传感器对准薄膜表面，另一个热电堆传感器对准被测目标物体上待测量局部表面，两个热电堆传感器中心点位于同于水平线上，所述的热电堆传感器还集成有获取自身热力学温度的热电阻测温传感器。

优选地，所述的热电堆传感器分别设有一个光学遮挡罩，所述的光学遮挡罩为圆柱状，所述的热电堆传感器设置在光学遮挡罩中，所述的光学遮挡罩端部设有在5-14um波段上的带通滤光片。

优选地，所述的传感器模块还包括两个用于位置校准的发射波段为可见光的准直用二极管激光器，两个准直用二极管激光器对称布置于两个热电堆传感器中心点连线的两侧，且两个准直用二极管激光器中心点的连线与两个热电堆传感器中心点连线的中垂线相重合，位置校准时，两个准直用二极管激光器的光斑落在薄膜与被测目标物体上待测量局部表面的边界线上。

优选地，所述的加热单元的加热方式包括：与被测目标物体接触的导热方式，或，加热周围空气并将热空气吹向被测目标物体表面的对流方式，或，辐射传热对被测目标物体进行局部加热方式，加热时的加热区域位于薄膜和被测目标物体上待测量局部表面的下方，同时加热单元加热区域的宽度大于薄膜的两倍宽度，加热区域内的加热热流均匀以确保在加热过程中薄膜和被测目标物体上待测量局部表面位置处的温升程度趋于一致。

优选地，所述的控制处理单元控制加热单元的加热功率使加热单元快速准确地达到预定的加热温度。

优选地，所述的控制处理单元通过下式获得被测目标物体上待测量局部表面的发射率：

其中，ε为被测目标物体上待测量局部表面的发射率，t1为薄膜表面的热力学温度，t2为被测目标物体上待测量局部表面的热力学温度，ta为传感器模块自身的热力学温度。

一种表面发射率在线测试方法，该方法基于上述表面发射率在线测试装置完成被测目标物体表面发射率的在线测试，该方法包括如下步骤：

s1：测试准备阶段：将已标定发射率的薄膜紧密附着于被测目标物体的表面；

s2：位置对准阶段：将传感器模块对准被测目标物体，用于同步测量薄膜表面及其附近被测目标物体上待测量局部表面红外辐射并转化为温度信息；

s3：加热阶段：控制处理单元控制加热单元加热被测目标物体，使得传感器模块对准的薄膜及其附近被测目标物体上待测量局部表面处的温度达到预定的加热温度；

s4：测试计算阶段：控制处理单元读取薄膜表面的热力学温度t1、被测目标物体上待测量局部表面的热力学温度t2以及传感器模块自身的热力学温度ta，进而计算出被测目标物体上待测量局部表面的发射率ε。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)相比于现有“量热法”测量发射率的技术中采用的接触式测温法，本发明采用热电堆传感器能够快速采集目标表面的辐射信号，无需使得目标达到热平衡就可以实现快速测量，可以满足实时测量的要求，同时也易于进行现场测试。

(2)本发明利用已知发射率的薄膜材料对目标表面的辐射信号和温度进行标定，无需将测试物体进行破坏切样，也无需使用人工黑体标定辐射源，使得测试装置结构简单，成本较低，也易于进行现场测试。

(3)本发明的测试过程中，仅需对测试目标的局部进行加热，测量时间较短，耗费能量较少。

(4)本发明能够适用于具有不均匀表面发射率的目标，能够测量目标上局部表面的发射率，因此，本发明适用的范围较一般“量热法”测试发射率的技术更广泛。

(5)本发明热电堆传感器设置光学遮挡罩和带通滤光片能够使得热电堆传感器具有较小的视角并免受其他波段辐射的干扰，保证热电堆传感器能够在预定的测试距离内准确地获得局域目标的红外辐射数值，而不被其他干扰辐射所影响，使得测量结果更加精准。

(6)本发明设置准直用二极管激光器能够实现快速精准定位，使得一个热电堆传感器的视场角全部落于薄膜上，而另外一个热电堆传感器的视场角全部落在被测目标物体局部表面，装置使用更加方便。

附图说明

图1为本发明表面发射率在线测试装置的结构示意图；

图2为本发明表面发射率在线测试装置中传感器模块的整体结构示意图；

图3为本发明表面发射率在线测试装置中传感器模块的主视图；

图中，1为被测目标物体，2为薄膜，3为待测量局部表面，4为光学遮挡罩，5为传感器模块，6为控制处理单元，7为加热单元，8为准直用二极管激光器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。

实施例

如图1～图3所示，一种表面发射率在线测试装置，该装置包括：

已标定发射率的薄膜2：测试时附着于被测目标物体1上待测量局部表面3附近；

加热单元7：测试时提升被测目标物体1的表面温度；

传感器模块5：同步测量薄膜2表面及被测目标物体1上待测量局部表面3的红外辐射并转化为温度信息，同时获取传感器模块5自身的温度信息；

控制处理单元6：连接加热单元7和传感器模块5，用于供电和数据输出，并根据获取的温度信息得到被测目标物体1上待测量局部表面3的发射率。

薄膜2厚度小于1mm，薄膜2通过背胶粘贴或喷涂的方式紧密附着于被测目标物体1的表面，薄膜2在5-14um波段的透射率小于1％，而且其在5-14um波段的发射率已知。

传感器模块5包括两个临近设置的热电堆传感器，测试时，其中一个热电堆传感器对准薄膜2表面，另一个热电堆传感器对准被测目标物体1上待测量局部表面3，两个热电堆传感器中心点位于同于水平线上，热电堆传感器还集成有获取自身热力学温度的热电阻测温传感器。热电堆传感器分别设有一个光学遮挡罩4，光学遮挡罩4为圆柱状，热电堆传感器设置在光学遮挡罩4中，光学遮挡罩4端部设有在5-14um波段上的带通滤光片。光学遮挡罩4和带通滤光片使得热电堆传感器具有较小的视角并免受其他波段辐射的干扰，保证热电堆传感器能够在预定的测试距离内准确地获得局域目标的红外辐射数值，而不被其他干扰辐射所影响。传感器模块5上的两个热电堆传感器均在事先通过人工黑体进行了校准，能够通过获得的红外辐射热流对已知发射率的目标物体的表面温度进行准确的测量，其温度的测试结果可以通过控制处理单元6读取。

传感器模块5还包括两个用于位置校准的发射波段为可见光的准直用二极管激光器8，两个准直用二极管激光器8对称布置于两个热电堆传感器中心点连线的两侧，且连个准直用二极管激光器8中心点的连线与两个热电堆传感器中心点连线的中垂线相重合，位置校准时，两个准直用二极管激光器8的光斑落在薄膜2与被测目标物体1上待测量局部表面3的边界线上。设置准直用二极管激光器8能够实现快速精准定位，使得一个电堆传感器的视场角分别落于薄膜2上，而另外一个热电堆的视场角全部落在被测目标物体1局部表面，装置使用更加方便。

加热单元7的加热方式包括：与被测目标物体1接触的导热方式，或，加热周围空气并将热空气吹向被测目标物体1表面的对流方式，或，辐射传热对被测目标物体1进行局部加热方式，加热时的加热区域位于薄膜2和被测目标物体1上待测量局部表面3的下方，同时加热单元7加热区域的宽度大于薄膜2的两倍宽度，加热区域内的加热热流均匀以确保在加热过程中薄膜2和被测目标物体1上待测量局部表面3位置处的温升程度趋于一致。控制处理单元6控制加热单元7的加热功率使加热单元7快速准确地达到预定的加热温度。在本实施例加热单元7采用与被测目标物体1接触的导热方式，加热区域位于薄膜2和被测目标物体1上待测量局部表面3的下方。

控制处理单元6通过下式获得被测目标物体1上待测量局部表面3的发射率：

其中，ε为被测目标物体1上待测量局部表面3的发射率，t1为薄膜2表面的热力学温度，t2为被测目标物体1上待测量局部表面3的热力学温度，ta为传感器模块5自身的热力学温度。

一种表面发射率在线测试方法，该方法基于上述表面发射率在线测试装置完成被测目标物体1表面发射率的在线测试，该方法包括如下步骤：

s1：测试准备阶段：将已标定发射率的薄膜2紧密附着于被测目标物体1的表面；

s2：位置对准阶段：将传感器模块5对准被测目标物体1，即调整准直用二极管激光器8的光斑落在薄膜2与被测目标物体1上待测量局部表面3的边界线上，使得一个电堆传感器的视场角分别落于薄膜2上，而另外一个热电堆的视场角全部落在被测目标物体1局部表面，从而可以同步测量薄膜2表面及其附近被测目标物体1上待测量局部表面3红外辐射并转化为温度信息；

s3：加热阶段：控制处理单元6控制加热单元7加热被测目标物体1，使得传感器模块5对准的薄膜2及其附近被测目标物体1上待测量局部表面3处的温度达到预定的加热温度，在进行测试时，控制处理单元6通过导线控制加热单元7加热被测目标物体1，使得薄膜2处的温度至少高于环境温度30℃；

s4：测试计算阶段：控制处理单元6读取薄膜2表面的热力学温度t1、被测目标物体1上待测量局部表面3的热力学温度t2以及传感器模块5自身的热力学温度ta，进而计算出被测目标物体1上待测量局部表面3的发射率ε。

本实施例上述表面发射率在线测试装置及其方法通过传感器模块5快速采集目标表面在高温下的发射辐射信号，结合已知发射率的薄膜2材料对目标表面的辐射进行标定，具有结构简单、实时测量、无需试样切片、可以现场测量等优点，适用于各类材料的表面发射率的在线快速测量。由于传感器模块5设置在5-14um波段上的带通滤光片，对应地，薄膜2在5-14um波段的透射率小于1％，因此本实施的装置可在线测量物体表面在红外波段5-14um光谱平均发射率。

本发明表面发射率在线测试装置及其方法的原理为：

在没有其他干扰辐射的作用下，具有红外波段带通滤光片的热电堆传感器所检测到的电压v是其传感器上获得的辐射热流密度q的函数，即：v＝kq，此处k是热电堆传感器的响应函数，一般通过实验获得。依据玻尔兹曼辐射定律，在热电堆传感器上获得的辐射热流密度q又是目标物体热力学温度to和热电堆传感器本身热力学温度ta的函数，即：

式中，b为玻尔兹曼常数，ε是目标物体的表面发射率。因此，如果已知热电堆传感器本身的温度ta、目标物体的发射率ε及热电堆的响应函数k，则可以通过热电堆输出的电压信号来反映目标物体的温度t0，这是红外非接触测温的基本原理。

如果假定目标物体为黑体，则其发射率为1.0，则热电堆传感器上获得的热流密度可以表示为：

式中ts为假定目标物体为黑体时，通过热电堆传感器获得的虚拟温度。同时，如果已知目标物体的真实发射率ε和真实温度t0，则热电堆传感器上获得的热流密度还可以表示为：

在实验测量中，热电堆传感器上获得的热流密度并不因假设的目标发射率而改变。因此，上面的式2和式3的右端项是相等的。此时，当目标的发射率ε未知时，可以通过下式来求得：

上式中目标物体的真实温度t0虽然可以通过接触式测量的方法获得，但由于接触式测温固有的延时效应，一般难以满足实时、瞬态测量发射率的要求。为了快速而准确地获得测量目标的真实温度，在本发明中采用了热电堆传感器对目标的温度进行测量，并同时在被测目标物体1上待测量局部表面3较近的位置上布置已知发射率的薄膜2来获得目标表面的真实温度。由于薄膜2材料本身厚度很小，其导热热阻可以忽略，因此可以近似认为薄膜2材料表面的温度和其所紧贴的目标表面的温度一致。因而可以通过红外热电堆传感器获得目标表面的温度。此外，又由于薄膜2所处位置在空间上与被测目标物体1上待测量局部表面3很接近，如果加热区域产生的热流传输至薄膜2所处位置和被测目标物体1上待测量局部表面3所处位置上是均匀一致的，则可近似认为薄膜2所处位置上的温度与被测目标物体1上待测量局部表面3所处位置上的温度是一致的。

因此，在本发明中采用两个热堆电堆传感器，其中一个热堆传感器用来采集薄膜2表面的温度作为目标物体的真实温度，即：

t1＝to(5)

而另外一个传感器用来同时采集被测目标物体1上待测量局部表面3上的温度，假设其为黑体时的虚拟温度，即有：

t2＝ts(6)

则，通过式(4)至式(6)可以得到被测目标物体1上待测量局部表面3上的发射率：

上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。