[发明专利]一种测量物体发射率的测量系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及发射率测量领域，特别是一种发射率测量方法及基于探测器测量物体波段发射率的系统。

背景技术

物体真实温度的测量在日常生活、工业生产和目标探测等领域有重要的作用，发射率是测量物体真实温度最重要的参数。发射率是实际物体与理想黑体的自身辐射能量之比，因此精确测量物体的发射率是物体精确测温的基础。

目前存在的使用探测器测量物体波段发射率的方法有以下二种：一是参考物体法，该方法分为近距离和远距离两种，近距离基于发射率的定义，在相同温度和相同波段下，测量被测样品的辐射能量与黑体的辐射能量的比值。该方法缺点是测量常温附近的材料光谱发射率比较困难，当试样和探测器都处于常温时，从原理上讲是得不到探测器输出的，即使试样温度高出探测器温度几度至二、三十度，探测器输出的信噪比也是比较低的，影响测试准确度；远距离利用被测物体附近已知参考体，该方法缺点不适宜测量无法放置参考体的地方，同时不适宜未知温度的物体；方法二，直接测量法，通过测量物体温度，并利用普朗克公式测量计算物体发射率，该方法不适用于无法进行接触测量表面温度的物体。现有方法需要借助于参考体或接触被测物体，而不能满足单独对物体进行非接触测量。

目前常用高精度发射率测量装置为采用对称双光路的光机结构，整个装置由样品加热炉、参考黑体、温度控制器、水冷光拦、光学系统、单色仪以及数据采集/处理电路和计算机组成，该系统测量原理采用了方法一的参考物体法，利用两个探测器分别测量待测目标和黑体在同温、同波长下的两路辐射能，利用其比值确定样品在该温度下的发射率。该系统无法测量常温附近的材料光谱发射率，并且安装困难，需要较高的安装精度，操作复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种发射率测量方法及非接触无需参考体测量精度高、结构简单、安装方便的基于探测器的物体发射率测量系统及测量方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种测量物体发射率的测量系统，包括探测器、辐射源和分光镜，探测器置于与被测物体及分光镜同一光路中，辐射源提供主动辐射，与探测器、分光镜所处光路所在的直线垂直，并与分光镜处于同一直线上；分光镜分别与探测器探测面、辐射源表面成度角，分光镜处于被测物体与探测器中间光路；辐射源表面入射光线与分光镜反射面成度角，经分光镜表面反射的光线到达被测物体，光线经被测物体表面反射到达分光镜并经分光镜透射到达探测器表面。

所述分光镜固定在支架上，分光镜为半透半反射镜，包括红外半透半反射镜、可见光半透半反射镜和全波段半透半反射镜。

所述探测器包括红外热像仪、CCD照相机以及光谱辐射计；所述辐射源采用面源黑体。

所述被测物体表面与探测器表面平行。

一种测量物体发射率的方法，步骤如下：

第一步，以辐射源为基准建立探测器的系统响应函数，以t摄氏度为辐射源温度间隔，采样辐射源辐射反映到探测器上的灰度值，温度间隔t满足在[T1，T2]温度范围内有10个或10个以上采样点。

第二步，取[T1，T2]区间内的n个采样点，n>=10，用最小二乘法拟合经过n个采样点的探测器输出值，拟合出该探测器的系统响应函数为：                                               ，其中V为探测器输出值，L_f探测器本身杂散能量，α为探测器响应度，L为到达探测器表面的有效辐射量；

第三步，根据发射率推导公式分别测量辐射源改变前后辐射值及物体辐射输出值。

所述步骤三根据发射率推导公式分别测量辐射源改变前后辐射值及物体辐射输出值的方法如下：

3.1探测器接收到的有效辐射包括三个部分：目标自身辐射、目标对周围环境反射辐射和大气辐射，到达探测器表面的有效辐射量表达式如下： 

其中，L为到达探测器表面的有效辐射量，L₀为目标自身辐射量，ρ为目标反射率，L_s为环境辐射，L_p为大气辐射，大气透过率为1；

3.2将探测器系统响应函数及到达探测器表面的有效辐射量表达式进行变化推导得探测器输出值为：

其中，令，

得探测器输出值为：

其中，V₀为只有目标的辐射作用到探测器上时，探测器输出值；V_s为单独环境辐射作用到探测器上时，探测器的输出值；

3.3改变辐射源辐射，采用步骤3.2的方法得到另一组输出，将这两组输出进行计算得到反射率为：