发射率检测基础方法.docx
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1、发射率检测方法一、中国外发射率检测现实状况表面辐射特征研究工作能够追溯到十八世纪,早在1753年富兰克林就提出不一样物质含有不一样接收和发散热量能力概念。几百年来大家在理论上、试验中、工程上做了大量研究工作。伴随辐射传热学、红外技术、太阳能研究、材料科学及黑体空腔理论等发展,近五十年以来材料发射率测量方法有了很大进展。现在在国际上已建立了分别适适用于不一样温度和状态和不一样物质多种测试方法和装置。(1)量热法量热法基础原理是:一个热交换系统包含被测样品和周围相关物体,依据传热理论推导出系统相关材料发射率传热方程,经过测量样品一些点温度值得到系统热交换状态,即能求得发射率。量热法又分为稳态量热法
2、和瞬态量热法。Worthing稳态加热法就是采取灯丝进行加热,测量精度达成了2%,不过样品制作复杂,且测量时间长。瞬态法即采取激光或电流等瞬态加热技术,其代表是70年代美国NIST基于积分球反射计法脉冲加热瞬态量热装置,其测量速度快,测量上限高达4000,能正确测量多项参数,不过被测物必需是导体限制了其应用范围。(2)反射率法反射率法基于原理是对于不透明样品,反射率+吸收率=1,将已知强度辐射能量投射到透射率为0被测面上,依据能量守恒定律和基尔霍夫定律,经过反射计求得反射能量,得到样品反射率后即可换算成发射率。常见反射计有:Dunkle等人建立热腔反射计,该方法能够测量光谱发射率但不适适用于高
3、温测量;意大利IMGC积分球反射计含有很宽测量温度范围;激光偏振法只能用于测量光滑表面发射率。探测器工作原理图探测器组装图(3)辐射能量法法能量法基础原理是直接测量样品辐射功率,依据普朗克定律或斯蒂芬玻尔兹曼定律和发射率定义计算出样品表面发射率。通常均采取能量比较法,即用同一探测器分别测量同一温度下绝对黑体及样品辐射功率,二者之比就是材料发射率值。(1)独立黑体法:独立黑体法采取标准黑体炉作为参考辐射源,样品和黑体是各自独立,辐射能量探测器分别对它们辐射量进行测量。测量材料全波长发射率时,探测器需要选择使用无光谱选择性温差电堆或热释电等器件;测量材料光谱发射率时,需要选择使用光子探测器并配置特
4、定单色滤光片。许进堂等人曾采取独立黑体方案设计了一套法向全波长发射率测量装置,精度能够达成3.7%。独立黑体方案优点在于能够精细地制作标准辐射源,并可正确地计算其辐射特征。其缺点在于等温条件难以得到确保,尤其是对不良导热材料。在实际应用中,大家还常常采取整体黑体法和转换黑体法两种能量法测量材料发射率,即在试样上钻孔或加反射罩,使被测材料变为黑体或迫近黑体性能,从而进行材料发射率测量。两种转换黑体法示意图(2)红外傅里叶光谱法:进入90年代以来,因为红外傅里叶光谱仪发展和广泛应用,很多学者全部建立了基于该装置材料光谱发射率测量系统和装置。红外傅里叶光谱仪关键由迈克尔逊干涉仪和计算机组成,其工作原
5、理是光源发出光经迈克尔逊干涉仪调制后变成干涉光,再把照射样品后多种频率光信号经干涉作用调制为干涉图函数,由计算机进行傅里叶变换,一次性得到样品在宽波长范围内光谱信息。所以,红外傅里叶光谱仪在测量红外发射方面是一个功效强大仪器。多年来,很多国家全部进行了基于傅里叶红外光谱仪材料光谱发射率测量研究工作。最含有代表性是半椭球反射镜反射计系统,该系统由Markham等人研制,曾获1994年美国百项研发大奖。系统整体结构示意图图所表示。系统能够同时测量材料光谱发射率和温度,温度测量范围为50,经典测量精度为5;光谱测量范围为0.820m,经典测试精度为3%。试样直径为1040mm,试样有效直径测量范围为
6、13mm,为确保加热时试样温度均匀性,试样最好厚度为13 mm。(4)多波长测量法多光谱法是能够同时测量温度和光谱发射率新方法,其基础原理是利用待测样品在多光谱条件下辐射信息,经过假定发射率和波长数学模型进行理论分析计算,得到待测样品温度和光谱发射率。多光谱法优点是测量速度快,设备简单易于现场测量,不需要制作标准样品。很多国家全部在研究多光谱法,多波长测量法原理是经过测量目标多光谱下辐射信息,建立发射率和波长关系模型及理论计算,同时得到温度和发射率信息值。该方法能够实现现场测量,而且测量温度没有上限,不过测量精度有限,而且对不一样材料适用性差,没有一个算法能适应全部材料。不过这是未来发展方向。
7、发射率测量方法优缺点二、本方案基础原理考虑到红外热像仪和多光谱分析仪较贵,本方案计划采取“双罩法”测量。“双罩法”基础原理就是将待测样品辐射能量和处于相同温度下黑体所辐射能量相比,就得到待测样品发射率,本文中所述发射率如无尤其说明均指半球发射率。在工程上将被测面近似为灰体,灰体定义是在任何温度下全部各波长射线辐射强度和同温度黑体对应波长射线辐射强度之比等于常数。测量原理结构图所表示,双罩即由半球吸收罩和半球反射罩组成,其中吸收罩内表面为高吸收率材料,反射罩内表面为高反射率材料。为了便于讨论半球罩检测工作原理,可作以下三个假设:(1)不考虑透射率(即透射率=0),反射罩内表面反射率和吸收罩内表面
8、吸收率均为1;(2)顶部开口面积相对于半球面积可忽略,不需要考虑在开孔处能量损失。(3)罩内表面温度在测量过程中保持不变,所以罩内表面和被测表面间没有相对传热。设被测物体表面温度为Ts,发射率为。当半球反射罩扣在被测物体表面上时,反射罩和被测物体表面组成一个闭合腔体,由被测物体表面发射辐射能被反射罩内表面不停地反射,而被测物体表面却不停地吸收由反射罩反射回来辐射能。因为辐射是以光速传输,所以上述不停反射和吸收过程是瞬间完成。设0为温度TS时黑体辐射功率,当反射罩对着被测物体表面时,所组成闭合腔体就成为一个等效黑体。自然敏感元件从小孔中接收到辐射功率等于黑体辐射功率。设12为被测物体表面对半球罩
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