基于紅外熱像儀測溫原理的物體表面發(fā)射率計算

2011-09-15 05:12吳燕燕羅鐵茍

直升機技術 2011年4期

吳燕燕，羅鐵茍，黃杰，郭芳

(中國直升機設計研究所，江西景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

紅外熱像儀是一種將高于絕對零度物體輻射的不可見表面熱轉(zhuǎn)換為可視圖像，進而生成熱像圖和溫度值的設備，不僅能獲得被測物體表面熱場分布的清晰圖像，而且還可得出精確的溫度測量值。紅外熱像儀溫度測量的準確性受被測表面的發(fā)射率、環(huán)境溫度、大氣溫度、大氣衰減率、太陽輻射等的影響，其中發(fā)射率的影響最為突出。物質(zhì)表面的發(fā)射率不僅取決于物質(zhì)的內(nèi)在性質(zhì)，同時還取決于物質(zhì)表面的物理狀態(tài)、光滑程度等，這些因素使得發(fā)射率的測量很復雜，所以如何確定被測表面的發(fā)射率已成為紅外熱像測溫技術中的一個主要課題。

根據(jù)不同的測量原理，通常將發(fā)射率測量方法分為量熱法、反射計法、輻射能量法和多波長測量法等，但每種測量方法各有自己的優(yōu)缺點，測量的對象也不一樣，如量熱法中的瞬態(tài)量熱法只能測量導體材料，穩(wěn)態(tài)量熱法只能測量全波長半球發(fā)射率，不能測量光譜或定向發(fā)射率;反射計法中的熱腔反射計法不適用于高溫測量，激光偏振法只能測量光滑表面的材料發(fā)射率。雖然確定發(fā)射率有多種方法，但在實際應用中實現(xiàn)方法比較復雜或費用高。本文從紅外熱像接收的有效輻射著手，獲得兩種計算發(fā)射率的方法。

1 紅外熱像儀測溫原理

熱像儀是靠接收被測物體表面的輻射來確定被測物體的溫度。根據(jù)紅外熱像儀的測溫原理可知，實際測量時，熱像儀接收到的有效輻射包括三部分:目標自身輻射、環(huán)境反射輻射和大氣輻射，如圖1所示。熱像儀通常工作在2～5μm或8～13μm兩個波段，探測器在工作波段上積分入射的輻射能，并把它轉(zhuǎn)化為一個與能量成正比的電信號。熱像儀測溫的通用基本公式為［2］:

式中:Vs為電壓信號，K為常數(shù)，τ?為大氣透射率，ε?為大氣發(fā)射率 ε?=1-τ?，ε為物體表面發(fā)射率，α為物體表面吸收率，Tobj為物體表面溫度，Tatm為大氣溫度，Trefl為反射環(huán)境溫度。

圖1 熱像儀測量物體溫度時接收的有效輻射示意圖

根據(jù)普朗克輻射定律，將公式(1)進行推導變換，可獲得公式(2)［2］:

公式(2)進行變化可得公式(3):

公式(3)為計算灰體表面真實溫度的計算公式，當近距離測量或室內(nèi)測量時，τ?=1。公式(2)、(3)中的T'obj為熱像儀測量物體溫度。

當使用不同波段熱像儀時，n的取值是不同的，這一點尤其要注意，其中在2～5μm時，n=9.2554，在8 ～13μm 時，n=3.9889。

2 物體表面發(fā)射率的計算

各種物質(zhì)表面的發(fā)射率(也稱輻射率、黑度系數(shù)等)是表征物質(zhì)表面輻射能力的物理量，是一項重要的熱物性參數(shù)。用紅外熱像儀進行測溫時被測物體的發(fā)射率必須設置準確，否則測出的溫度值誤差較大，最高可達19%。在短波測量時發(fā)射率設定不準所造成的誤差比長波測量時的誤差要小，如當發(fā)射率誤差為10%時，0.9μm工作波長的熱像儀的測量誤差為2%，而8～14μm工作波長的熱像儀將形成7% 的測量誤差［1］?？梢姲l(fā)射率的設置是否準確直接影響測量結(jié)果。以下兩種方法是從紅外熱像接收的有效輻射著手獲得發(fā)射率，簡單實用，其測量發(fā)射率裝置如圖2所示。

圖2 測量發(fā)射率裝置示意圖

由計算灰體表面真實溫度的計算公式可得公式(4):

由式(4)可以看出ε與大氣透射率、環(huán)境溫度、大氣溫度、物體的真實溫度、熱像儀測量的溫度有關。在紅外成像時，大氣透射率計算的精度會影響紅外成像的可信度。大氣透射率可通過多種方式獲得，如分子吸收的波帶模型法、lowtran法、表格法等。當前國內(nèi)外在對紅外成像中的大氣透射率進行計算時，大多采用仿真程序調(diào)用lowtran并根據(jù)實測數(shù)據(jù)線性擬合透射率計算機公式。

公式(4)中T'obj的測量方法不同，決定了ε的計算方法不同。測量T'obj的有兩種方法:

1)將熱像儀的ε設置不同的值，對T'obj進行多次測量(三次以上)。

將式(4)進行變換可得:

令y=f(ε)，對公式(5)進行變換擬合，可得:

通過紅外熱像儀測量的數(shù)據(jù)計算出a和b，由于實際計算出的a值很小，ax小于0.01且比y小一個數(shù)量級，所以可忽略不計，由此可得出發(fā)射率的計算公式:

實驗方法和步驟:

① Tobj、Trefl、Tatm可利用常用的測溫裝置測量得到，溫度測量精度0.01℃;

②依實際測試環(huán)境參數(shù)，利用Lowtran7.0計算得到大氣透射率;

③將熱像儀的發(fā)射率ε設為多個不同值(不少于3個)，測出對應的T'obj;

④ 利用 Matlab 將測得的 T'obj、Tobj、Trefl、Tatm數(shù)據(jù)進行曲線擬合，得出a、b;

⑤將b代入式(7)可得出物體的發(fā)射率。

此方法對液體、固體、氣體發(fā)射率的測量計算均適用。由于對T'obj進行多次測量，減小了測量誤差。對測量數(shù)據(jù)T'obj、ε進行曲線擬合的計算量比較大，工程應用中可采用Matlab進行曲線擬合，得出a、b。

2)將熱像儀的ε設置為1，對T'obj只進行一次測量。

若將熱像儀的ε設置為1，則公式(2)進行變換可得公式(8):

將公式經(jīng)過變換為公式(9)，此式即為計算發(fā)射率的公式。

方法二的實驗方法和步驟與方法一的相同，只是將ε設置為1，此方法適用于固體和液體發(fā)射率的測量，對Tobj、Trefl，Tatm的準確性要求很高。為了測量結(jié)果的準確性，要求目標溫度與環(huán)境溫度有一定的溫差。

根據(jù)以上公式，利用VC編寫計算發(fā)射率的計算程序，程序界面見圖3。

圖3 計算程序界面

3 實驗過程及結(jié)果分析

3.1 實驗過程

1)利用方法一進行實驗

本項實驗在室內(nèi)進行，設置熱像儀的ε=1，對T'obj進行一次測量。實驗對象為皮膚、水、紙(深藍色)、白紙、沙子(潮濕)，實驗過程中采用Therma-CAM S65型熱像儀，光譜范圍為(7.5～13μm);熱電偶或熱電阻測量目標物體的溫度和環(huán)境溫度，認為環(huán)境溫度即為大氣溫度，其溫度值為20℃。

2)利用方法二進行實驗本項實驗均在室內(nèi)進行，將熱像儀的ε設置不同的值，對T'obj進行多次測量(三次以上)。

實驗一的測量對象是液壓散熱器風扇的出口溫度，即風扇出口空氣溫度。實驗過程中采用ThermaCAM S65型熱像儀;熱電偶或熱電阻測量目標物體的溫度和環(huán)境溫度，認為環(huán)境溫度即為大氣溫度。

實驗二的測量對象是空調(diào)出口溫度。實驗過程中采用兩種類型的熱像儀:ThermaCAM S65型熱像儀，光譜范圍為(7.5 ～13μm)，ThermaCAM S550 型熱像儀，光譜范圍為(3～5μm);溫度計測量目標物體的溫度和環(huán)境溫度，認為環(huán)境溫度即為大氣溫度。以上兩項實驗均在室內(nèi)進行。

以上實驗的步驟見第2節(jié)，實驗環(huán)境的濕度為65%，測量距離1.5m。

3.2 結(jié)果分析

方法一:適合固體和液體發(fā)射率的測量，不適合氣體發(fā)射率的測量，測量參數(shù)少，測量方法簡單，而且參數(shù)測量的精度要求高，所以此方法容易擴大誤差。由于是在室內(nèi)進行測量，被測對象的實際發(fā)射率與ε=1相差不大，所以當設置ε=1時熱像儀測量的溫度與實際溫度相差不是很大。從表1可知計算的發(fā)射率與參考發(fā)射率基本相等。

方法二:適合于固體、液體和氣體發(fā)射率的測量，測量參數(shù)比方法一多，測量方法簡單，對參數(shù)測量的精度要求不是很高，從表2或表3可知，由于設置了不同的發(fā)射率，這樣容易消除系統(tǒng)誤差。此方法中曲線擬合的計算量比較大。

從結(jié)果數(shù)據(jù)看出，環(huán)境溫度與目標溫度相差較小時，誤差明顯增大，方法二測量溫度的誤差小于方法一測量溫度的誤差，具體熱像圖見圖4、圖5。