紅外熱像儀與表面熱電偶測(cè)量發(fā)射率的匹配法

李文軍，徐永達(dá)，鄭永軍

（中國(guó)計(jì)量大學(xué)計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

紅外熱像儀與表面熱電偶測(cè)量發(fā)射率的匹配法

李文軍，徐永達(dá)，鄭永軍

（中國(guó)計(jì)量大學(xué)計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

使用紅外熱像儀測(cè)量物體溫度時(shí)，需要知道被測(cè)物體的發(fā)射率。為測(cè)量物體的發(fā)射率，提出紅外熱像儀和表面熱電偶組合的匹配法。建立匹配法測(cè)量發(fā)射率的實(shí)驗(yàn)裝置，使用該實(shí)驗(yàn)裝置，利用恒溫源對(duì)測(cè)試樣品進(jìn)行加熱，在近環(huán)境溫度范圍內(nèi)對(duì)兩種測(cè)試樣品3M Scotch Super 88型絕緣膠帶和3M 1721型絕緣膠帶的發(fā)射率進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)量值與文獻(xiàn)值一致。該文給出兩種樣品在不同溫度區(qū)間的具體發(fā)射率值，該發(fā)射率值可用做紅外熱像儀工程測(cè)溫中的參考值。

紅外熱像儀；表面熱電偶；發(fā)射率；匹配法

0 引 言

紅外熱像儀在工程測(cè)試領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。當(dāng)用紅外熱像儀測(cè)量物體溫度時(shí)，需要知道物體的發(fā)射率[1-4]。侯成剛等[5]根據(jù)紅外探測(cè)器對(duì)物體輻射的輸出響應(yīng)，導(dǎo)出了物體溫度、環(huán)境溫度、物體發(fā)射率和測(cè)量精度之間的關(guān)系，測(cè)定了發(fā)射率。美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì) （American society for testing and materials，ASTM）給出了紅外成像設(shè)備測(cè)量和補(bǔ)償發(fā)射率的方法以及適用條件[6]。楊立等[7]給出了測(cè)量發(fā)射率時(shí)表面輻射率誤差的計(jì)算公式。黃龍祥等[8]建立了基于紅外熱像儀的涂層波段發(fā)射率測(cè)量裝置，實(shí)際測(cè)試發(fā)射率0.708與0.920之間的4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品，誤差不大于2.06%。徐軍等[9]提出一種用熱像儀和熱板儀結(jié)合測(cè)量織物紅外發(fā)射率方法。白敬晨等[10]針對(duì)雙參考體方法計(jì)算公式中參數(shù)n的取值加以改進(jìn)，推導(dǎo)出了物體發(fā)射率計(jì)算公式并給出了適用條件。劉華等[11]建立了毫米級(jí)非均勻粗糙表面紅外發(fā)射率的等溫測(cè)量裝置，導(dǎo)出熱電偶與紅外熱像儀雙重測(cè)溫的紅外發(fā)射率計(jì)算公式。李園園等[12]通過(guò)改變環(huán)境輻射的方法測(cè)定目標(biāo)的反射率得到物體的發(fā)射率，采用黑體作為主動(dòng)輻射源改變環(huán)境輻射，對(duì)3種物質(zhì)分別進(jìn)行了發(fā)射率測(cè)量。劉連偉等[13]針對(duì)大型設(shè)備表面發(fā)射率測(cè)量提出一種工程測(cè)量方法，利用兩個(gè)發(fā)射率已知的參考物，以消除環(huán)境輻射對(duì)表面發(fā)射率測(cè)量的影響。

本文首先介紹了紅外熱像儀與接觸測(cè)溫法結(jié)合測(cè)量發(fā)射率的原理，然后介紹了熱像儀與表面熱電偶組合測(cè)試發(fā)射率的實(shí)驗(yàn)裝置，最后在近環(huán)境溫度范圍對(duì)測(cè)試樣品的發(fā)射率進(jìn)行了測(cè)試，并給出了樣品在不同溫度區(qū)間內(nèi)的發(fā)射率。

1 實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 匹配法的實(shí)驗(yàn)原理

紅外成像設(shè)備與接觸測(cè)溫法結(jié)合可以測(cè)量發(fā)射率，其基本測(cè)量原理是針對(duì)同一測(cè)量點(diǎn)，用接觸測(cè)溫法測(cè)量其溫度，再用紅外熱成像設(shè)備測(cè)量其溫度，通過(guò)這兩個(gè)溫度測(cè)量值的比較以確定測(cè)點(diǎn)的表面發(fā)射率。

根據(jù)上述原理，為了使接觸法更準(zhǔn)確地測(cè)量點(diǎn)的溫度，提出了采用表面熱電偶的匹配法。具體方法是：用標(biāo)定過(guò)的表面熱電偶測(cè)量物體表面測(cè)量點(diǎn)所在區(qū)域的真實(shí)溫度值T1，再以T1為參考值，用標(biāo)定過(guò)的紅外熱像儀（其工作波長(zhǎng)為λ1到λ2）對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，調(diào)整紅外熱像儀的發(fā)射率的值，直到溫度值T2與參考值T1相同。此時(shí)的發(fā)射率值即物體表面在溫度為T1時(shí)，波長(zhǎng)范圍為λ1到λ2的發(fā)射率。

需要指出的是，匹配法需要對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行加熱或者制冷，以滿足測(cè)量時(shí)所必須符合的溫度條件。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)匹配法，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建了測(cè)量發(fā)射率的實(shí)驗(yàn)裝置。構(gòu)成實(shí)驗(yàn)裝置的主要設(shè)備和儀器包括以下4種：

1）紅外熱像儀。實(shí)驗(yàn)采用的紅外熱像儀是一個(gè)標(biāo)定過(guò)的紅外熱像儀，并且熱像儀的環(huán)境溫度參數(shù)和發(fā)射率參數(shù)可以設(shè)置和調(diào)整。在實(shí)驗(yàn)中采用了FLIRE60型熱像儀。

2）三腳架。三腳架用于紅外熱像儀的定位。

3）樣品加熱裝置。按照匹配法測(cè)量方法以及ASTM E1933-99a測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量必須滿一個(gè)溫度條件，即被測(cè)樣品溫度與環(huán)境溫度的差值在10℃以上。為滿足這一條件，對(duì)樣品進(jìn)行加熱或者制冷。建立的實(shí)驗(yàn)裝置中選用了對(duì)樣品加熱的方法，以保證滿足溫度條件。樣品加熱裝置采用了安立公司ACS II-2000溫度標(biāo)準(zhǔn)源，其實(shí)物圖如圖1所示，其中黑色條狀物為待測(cè)樣品。用ACS II-2000溫度標(biāo)準(zhǔn)源加熱樣品時(shí)，目標(biāo)溫度可以設(shè)定在室溫到500℃之間，從室溫到250℃的加熱時(shí)間為20min，從250℃冷卻到50℃的時(shí)間為70min。

4）表面熱電偶。匹配法要求用表面熱電偶測(cè)量物體表面溫度，實(shí)驗(yàn)中采用了一種表面熱電偶，其具體產(chǎn)品型號(hào)為NR-81532B。NR-81532B是一種K型表面熱電偶，其實(shí)物圖如圖2，其感溫頭帶有彈簧結(jié)構(gòu)，即圖中弓形金屬片及支持結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以使感溫頭緊密附著于被測(cè)物體表面。

圖1 ACSⅡ-2000溫度標(biāo)準(zhǔn)源

圖2 NR-81532B型表面熱電偶

以上4種設(shè)備構(gòu)成實(shí)驗(yàn)裝置的主要部分。實(shí)驗(yàn)中還使用軟件FLIR Tools和安立HD-1200K溫度記錄儀分別記錄熱像儀和表面熱電偶的數(shù)據(jù)。

2 測(cè)試樣品和實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 測(cè)試樣品

在工程測(cè)量中，電氣絕緣膠帶常被用作發(fā)射率的參考物質(zhì)[14]。根據(jù)文獻(xiàn)公布的參考數(shù)據(jù)，3M Scotch Super 88型電氣絕緣膠帶的發(fā)射率為0.95，3M 1712型電氣絕緣膠帶為0.93。實(shí)驗(yàn)中選擇了這兩種絕緣膠帶作為測(cè)試樣品。由于物體的表面發(fā)射率與溫度有關(guān)，在一個(gè)比較寬的溫度范圍內(nèi)，這兩種絕緣膠帶的發(fā)射率隨溫度是變化的。利用建立的實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)測(cè)了絕緣膠帶樣品在室溫到140℃范圍內(nèi)的發(fā)射率。

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

把測(cè)試樣品在ACS II-2000溫度標(biāo)準(zhǔn)源的加熱平臺(tái)上定位，通過(guò)ACS II-2000溫度標(biāo)準(zhǔn)源的溫控器，設(shè)定加熱的目標(biāo)溫度。在溫控器的溫度指示值到達(dá)該目標(biāo)溫度后，保持10min，以保證樣品與加熱平臺(tái)之間達(dá)到熱平衡，再分別用表面熱電偶和紅外熱像儀對(duì)測(cè)試樣品的表面溫度進(jìn)行測(cè)量。

在一個(gè)固定的溫度點(diǎn)上，一次測(cè)量過(guò)程具體描述如下：

1）將紅外測(cè)溫儀安裝在三腳架上，相對(duì)于測(cè)試樣品進(jìn)行定位，保證測(cè)量距離和測(cè)量角度符合使用規(guī)范。

2）用紅外熱像儀瞄準(zhǔn)被測(cè)樣品。

3）使用紅外熱像儀的點(diǎn)溫、十字線瞄準(zhǔn)和等溫線功能，測(cè)量和補(bǔ)償由于反射溫度所引起的誤差。

4）用表面熱電偶測(cè)量同一測(cè)量區(qū)域的溫度，并記錄這個(gè)溫度值。

5）保持熱像儀圖像不動(dòng)，調(diào)整熱像儀發(fā)射率，直到熱像儀圖像指示溫度與步驟4）中溫度值相同。記錄這時(shí)的發(fā)射率值，作為測(cè)試樣品在該目標(biāo)溫度下、該工作波段上的發(fā)射率。

6）重復(fù)步驟1）到步驟5）過(guò)程3次，取3次測(cè)量值的平均值作為發(fā)射率值。

在完成一個(gè)溫度點(diǎn)上的測(cè)量后，進(jìn)入下一個(gè)溫度點(diǎn)。設(shè)定不同的加熱目標(biāo)溫度，可以得到測(cè)試樣品在不同溫度點(diǎn)上的發(fā)射率。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 加熱器設(shè)定溫度T0為50℃時(shí)樣品的熱圖像

圖4 加熱器設(shè)定溫度T0為100℃時(shí)樣品的熱圖像

在室溫為20℃的環(huán)境下，對(duì)兩種絕緣膠帶的表面發(fā)射率進(jìn)行了測(cè)量。定義T0為加熱器設(shè)定的加熱溫度，T1為表面熱電偶測(cè)量得到的樣品表面溫度值，ε為熱像儀匹配于T1時(shí)的發(fā)射率值。在每個(gè)溫度點(diǎn)測(cè)量3次，ε取3次測(cè)量值的平均值。

圖3為加熱器設(shè)定溫度T0在50℃時(shí)兩種樣品的熱圖像。圖4為加熱器設(shè)定溫度T0在100℃時(shí)兩種樣品的熱圖像。

表1和表2分別為兩種樣品分別在室溫到140℃的測(cè)量數(shù)據(jù)，ε為3次發(fā)射率測(cè)量值的平均值。

3.2 分 析

3M Scotch Super 88型絕緣膠帶用于電工領(lǐng)域，其使用溫度區(qū)間為-18～105℃，從表1可以看出，當(dāng)把它用作發(fā)射率參考物質(zhì)時(shí)，溫度區(qū)間上限可以從105℃擴(kuò)展到140℃，在擴(kuò)展區(qū)間內(nèi)，發(fā)射率仍基本穩(wěn)定。

表1 3M Scotch Super 88型絕緣膠帶的發(fā)射率

表2 3M 1712型絕緣膠帶的發(fā)射率

3M 1721型絕緣膠帶用于電工領(lǐng)域，其使用度區(qū)間為0～80℃，從表2可以看出，當(dāng)把它用作發(fā)射率參考物質(zhì)時(shí)，溫度區(qū)間上限可以擴(kuò)展到120℃。

在近環(huán)境溫度范圍，把3M Scotch Super 88型絕緣膠帶用作發(fā)射率參考物質(zhì)時(shí)，其發(fā)射率在兩個(gè)溫度區(qū)間具有穩(wěn)定值：在50～100℃，其發(fā)射率為0.92；在100～140℃，其發(fā)射率為0.93。把3M 1721型絕緣膠帶作發(fā)射率參考物質(zhì)時(shí)，其發(fā)射率同樣是在兩個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)具有穩(wěn)定值：在50～100℃，其發(fā)射率為0.92；在 100～120℃，其發(fā)射率為 0.93。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)紅外熱成像設(shè)備與接觸測(cè)溫法結(jié)合測(cè)量發(fā)射率的原理，本文提出了紅外熱像儀與表面熱電偶組合測(cè)量發(fā)射率的匹配法，建立了實(shí)驗(yàn)裝置，并在近環(huán)境溫度范圍內(nèi)，采用加熱方法對(duì)工程測(cè)量中常用的發(fā)射率參考物進(jìn)行了測(cè)試，給出了其在不同溫度區(qū)間內(nèi)的發(fā)射率。該發(fā)射率值可用做紅外熱像儀工程測(cè)溫中的參考值。

[1]MICHAEL V，KLAUS P M.Infrared thermal imaging[M].Germany： WILEY-VCH Verlag GmbH&Co.KGaA，2010：127-145.

[2]JEAN P M， MARIO M， LAURENT I， et al.Emissivity measurements of building and civil engineering materials：A new device for measuring emissivity[J].Int J Thermophys，2014，35（9）：1817-1831.

[3]李希明，李文軍，顧喆涵，等.在中低溫條件下環(huán)境輻射對(duì)光譜發(fā)射率測(cè)量的影響[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，2014，35（1）：10-12.

[4]唐麟，劉琳，蘇君紅.熱成像系統(tǒng)空間分辨率退化建模及仿真[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2014，33（9）：21-27.

[5]侯成剛，張廣明，趙明濤，等.用紅外熱成像技術(shù)精確測(cè)定物體發(fā)射率[J].紅外與毫米波學(xué)報(bào)，1997，16（3）：193-198.

[6]Standard test methods for measuring and compensating for emissivity using infrared imaging radiometers：ASTM E1933-99AE[S].West Conshohocken：ASTM International，2005.

[7]楊立，寇蔚，劉慧開，等.熱像儀測(cè)量物體表面輻射率及誤差分析[J].激光與紅外，2002，32（1）：43-45.

[8]黃龍祥，沈湘衡，宋江濤.基于熱像儀的物體波段發(fā)射率的測(cè)量[J].激光與紅外，2009，39（2）：159-161.

[9]徐軍，陳益松，甄慧英，等.基于紅外熱像技術(shù)的織物紅外發(fā)射率測(cè)量方法[J].紡織學(xué)報(bào)，2009，30（9）：42-44.

[10]白敬晨，于慶波，胡賢忠，等.基于紅外熱像儀的物體表面發(fā)射率測(cè)量方法[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，34（12）：1747-1750.

[11]劉華，艾青，夏新林，等.毫米級(jí)非均勻粗糙表面紅外發(fā)射率測(cè)量[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2013，34（2）：317-319.

[12]李園園，屈惠明，劉文俊.基于環(huán)境輻射的現(xiàn)場(chǎng)目標(biāo)發(fā)射率測(cè)量方法研究[J].激光與紅外，2013，43（3）：272-275.

[13]劉連偉，楊淼淼，樊宏杰，等.一種表面發(fā)射率的測(cè)量方法研究[J].激光與紅外，2014，44（2）：152-157.

[14]LóPEZ G， BASTERRA L A， ACU?A L， et al.Determination of the emissivity of wood for inspection by infrared thermography[J].J Nondestruct Eval，2013，32（2）：172-176.

（編輯：劉楊）

Match method of emissivity measurement based on infrared thermal imager and surface thermometer

LI Wenjun， XU Yongda， ZHENG Yongjun
（College of Metrology and Measurement Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China）

The temperature measurement with an infrared thermal imager requires the emissivity values of the object.A match method of infrared thermal imager and surface thermometer is given for the measurement of emissivity.The experiment device based on match method is established.With the device，two kinds of insulated rubber tape 3M Scotch Super 88 type and 3M 1721 are heated by a constanttemperature source close to the environmentaltemperature and their emissivity is measured.The experiment results show that measured values are consistent with the literature value.Specific emissivity values of samples are given in different temperature range.The emissivity values can be used as reference data in engineering measurement of infrared thermal imager.

infrared thermal imager； surface thermometer； emissivity； match method

A

1674-5124（2017）06-0012-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.06.003

2016-11-21；

2016-12-18

國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201410133）

李文軍（1970-），男，山西忻州市人，副教授，碩士，研究方向?yàn)闊峁?shù)自動(dòng)檢測(cè)與控制。