吉珊珊， 葛俊鋒， 葉　林， 閆澤豪， 賈誠安

(華中科技大學(xué) 自動化學(xué)院，湖北 武漢 430074)

基于MLX90614紅外溫度計的發(fā)射率在線測量系統(tǒng)*

吉珊珊， 葛俊鋒， 葉林， 閆澤豪， 賈誠安

(華中科技大學(xué) 自動化學(xué)院，湖北 武漢 430074)

摘要:為了實現(xiàn)對物體表面發(fā)射率的快速在線測量，設(shè)計了一種基于MLX90614紅外溫度計的發(fā)射率在線測量系統(tǒng)，并通過黑體等效法驗證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，系統(tǒng)的測量精度可達±0.05。同時，對影響試驗結(jié)果的因素進行了實驗驗證，證明距離與傳感器冷端溫度對測量結(jié)果的影響不明顯。對于標(biāo)準(zhǔn)樣板的發(fā)射率測量實驗也表明：該系統(tǒng)能滿足在線測量發(fā)射率的要求。

關(guān)鍵詞：發(fā)射率； 在線測量； 黑體等效法； MLX90614

0引言

發(fā)射率是表征物質(zhì)表面輻射本領(lǐng)的物理量[1]。在非接觸測溫技術(shù)中，物體表面發(fā)射率未知或經(jīng)常變化一直是影響這種方法測量精度的重要因素，因此，獲得目標(biāo)物體的準(zhǔn)確發(fā)射率對輻射測溫技術(shù)和目標(biāo)物熱輻射特性的研究具有重要意義。目前，測量物體發(fā)射率的方法主要有量熱法、反射率法、輻射能量法和多波長法等[2～4]。其中，量熱法只能對物體的全光譜發(fā)射率進行測量[5]；反射法和輻射能量法可測量物體的光譜發(fā)射率，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要反射計腔或者參考黑體等[6]；多波長法能測量物體的波段發(fā)射率，然而，該方法的理論還不是很完善，測量精度不高，適用性較差。這幾種方法是都有一定的局限性，不便于在線測量或便攜式測量[7]。

近年來，也涌現(xiàn)出了幾種比較新型的發(fā)射率在線測量方法，包括哈爾濱工業(yè)大學(xué)的宋揚、戴景民等人[8]研制的前置反射器發(fā)射率在線測量裝置，華中科技大學(xué)的陳斌[9]研究開發(fā)了雙罩法發(fā)射率在線測量系統(tǒng)以及華中科技大學(xué)的江先軍[10]研究的單罩比值法在線測量發(fā)射率等，這些方法都較高精度地實現(xiàn)了發(fā)射率在線測量。但是這些測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，不便于安裝。

本文基于輻射能量法，提出一種新的利用MLX90614在線測量物體發(fā)射率的方法，并以黑體等效法對系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性進行驗證，然后對標(biāo)準(zhǔn)樣片表面發(fā)射率進行在線測量實驗，結(jié)果證明：該方法測量發(fā)射率可靠性高，可達到較高的精度。

1發(fā)射率

1.1發(fā)射率測量原理

單位時間內(nèi)單位表面積向其上的半球空間的所有方向輻射出去的全部波長范圍內(nèi)的能力稱為輻射力，記為E。輻射力是用來定量地表述單位黑體表面在一定溫服下向外界輻射能量的多少。黑體的輻射力與熱力學(xué)溫度的關(guān)系由斯忒藩—玻耳茲曼定律[11]所規(guī)定

(1)

該式即為輻射四次方定律。

而實際物體不能完全吸收投入到其表面上的輻射能量，所以,實際物體的輻射力E總是小于同溫度下黑體的輻射力Eb，兩者的比值稱為實際物體的發(fā)射率或黑度[12]，記為ε

(2)

故實際物體的輻射力可以表示成為

(3)

而在某個特定的波段范圍內(nèi)，黑體的輻射能Eb(λ1～λ2)可以表示為

Eb(λ1～λ2)=k1Eb

(4)

物體的輻射能E(λ1～λ2)可以表示為

E(λ1～λ2)=k2E

(5)

其中，根據(jù)黑體輻射函數(shù)[13]，可得k1=f(λ1T)-f(λ2T)，k2=f(λ1T)-f(λ2T)，即k1=k2。因此，某一波段內(nèi)實際物體的輻射力與同溫度下黑體的輻射力的比值為ε

(6)

而根據(jù)輻射能量法，測得某一攝氏溫度下的目標(biāo)物的輻射能量和同等攝氏溫度下已知發(fā)射率或黑體的輻射能量，再通過比值即可得到目標(biāo)物的發(fā)射率為

(7)

1.2MLX90614紅外溫度計

MLX90614是由Melexis公司生產(chǎn)的一種紅外溫度計，波長范圍為5.5～14μm。它是由紅外熱電堆傳感器MLX81101和信號處理專用芯片MLX90302共同集成，可實現(xiàn)高精度和高分辨率的溫度采集，測量辨析度可達0.02 ℃。MLX90614內(nèi)部有冷端與熱端，其中，熱端接收目標(biāo)物體的輻射能量，冷端接收環(huán)境的輻射能量，所以，熱電堆中傳感器的輸出信號由二者共同決定，且可測量溫度范圍為環(huán)境溫度-40～125 ℃，物體溫度-70～382.19 ℃。

MLX90614通過IR傳感器測量目標(biāo)溫度，并由內(nèi)部狀態(tài)機控制物體溫度和環(huán)境溫度的測量和計算，進行溫度處理后，可以將結(jié)果通過二線SMBus兼容協(xié)議接口或10位PWM輸出模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。熱電堆測得的目標(biāo)溫度記為TO。

1.3公式推導(dǎo)

(8)

式中Er和Erb為熱電堆測得的被測物體和黑體的總的輻射力，Eu和Eub為熱電堆測得的被測物體和黑體所處環(huán)境的輻射力。再根據(jù)式(7)，可得目標(biāo)物的發(fā)射率通過測得的溫度值進行計算的公式為

(9)

2黑體等效法

一般情況下是以測量標(biāo)準(zhǔn)樣板發(fā)射率來衡量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，但是標(biāo)準(zhǔn)樣本在使用過程中容易受到環(huán)境影響(如高溫、油污、氧化等)而改變其發(fā)射率，即標(biāo)準(zhǔn)樣板的發(fā)射率并不是一個定值，所以，測量系統(tǒng)并不能很好地檢驗本身的測量精度。本文提出以黑體等效法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)樣板來檢驗系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和精度。

2.1黑體等效法的原理

黑體等效法是將黑體高溫下的輻射量利用降低其溫度來得到相同高溫下低發(fā)射率時的等同輻射量，這樣就可以得到不同發(fā)射率的輻射量，等同于不同發(fā)射率的標(biāo)準(zhǔn)樣板。

(T2+273.15)4×0.95=(T1+273.15)4ε1

(10)

則T2和T1滿足關(guān)系式

(11)

2.2試驗分析

(12)

表1　100 ℃下各發(fā)射率對應(yīng)溫度

對于表1中的各個溫度點，利用測量系統(tǒng)對面源進行測量，探頭與面源中心距離為50mm，可得到相對應(yīng)的實際溫度，通過式(12)計算實際發(fā)射率值，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　各溫度值下對應(yīng)的發(fā)射率值

300 ℃下各發(fā)射率對應(yīng)的面源溫度如表3。

表3　300 ℃下各發(fā)射率對應(yīng)溫度值

同樣地，對表3中各個溫度點進行測量，得到的測量值如表4所示。

表4　各溫度值下對應(yīng)的發(fā)射率值

根據(jù)表中測得結(jié)果，系統(tǒng)實際測得的發(fā)射率與理論計算出的發(fā)射率最大偏差為0.03，系統(tǒng)精度可滿足±0.05的要求，所以,系統(tǒng)穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性非常好。

2.3誤差分析

試驗過程中，影響測量結(jié)果的因素有很多，其中最需要考慮的是距離和傳感器冷端溫度對測量結(jié)果的影響。

對于非接觸測溫中，距離對測量結(jié)果的影響很重要。為了研究探頭與目標(biāo)物表面的距離對測量結(jié)果的影響，通過黑體等效法，在不同距離下做了相同試驗，試驗結(jié)果如表5、表6所示。

表5　距離對發(fā)射率測量結(jié)果的影響(T=100 ℃)

表6　距離對發(fā)射率測量結(jié)果的影響(T=300 ℃)

由表5和表6數(shù)據(jù)可得:距離對測量結(jié)果的影響不大，基本保持一致，發(fā)射率最大誤差值為0.01，所以,可以認為微小距離的變化對發(fā)射率測量結(jié)果沒有影響。

此外，也做了傳感器冷端溫度對測量結(jié)果的影響試驗。由于MLX90614內(nèi)部自帶溫度補償，所以,在測量過程中，其冷端溫度變化最大不超過1 ℃，因而冷端溫度的升高對發(fā)射率的影響并不大，誤差保持在±0.05以內(nèi)，滿足測量要求。

3發(fā)射率測量試驗

3.1測量原理

本文在測量目標(biāo)物的發(fā)射率時，在目標(biāo)物表面焊接一個熱電偶，以MLX90614為核心的探頭在目標(biāo)物的垂直上方40mm處，且其在目標(biāo)物上的投射光斑距離熱電偶很近，但并不重合，測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1。其中，白板爐加熱被測樣板，被測樣板可達到的溫度范圍為0～300 ℃。

圖1　測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig 1　Structure chart of measurement system

3.2測量試驗

測量系統(tǒng)以標(biāo)準(zhǔn)樣板作為被測對象進行了測量試驗。將兩種不同的標(biāo)準(zhǔn)樣板(粗銅、光銅)放置于白板加熱器上，對其逐漸加溫，測量不同溫度下的發(fā)射率值，由于標(biāo)準(zhǔn)樣板的材質(zhì)不同，導(dǎo)熱系數(shù)由此而不同，所以,每個標(biāo)準(zhǔn)樣板的實際表面溫度會有差異。測量結(jié)果如表7、表8所示。

表7　粗銅發(fā)射率測量值

表8　光銅發(fā)射率測量值

已知粗糙銅板的發(fā)射率為0.5，光滑銅板的發(fā)射率為0.45。由表7、表8可知，測量結(jié)果較為穩(wěn)定，發(fā)射率測量值誤差最大為0.05，符合系統(tǒng)±0.05的測量精度，并且光滑銅板的發(fā)射率測量值隨著溫度的升高有上升的趨勢，符合發(fā)射率變化規(guī)律。

4結(jié)論

本文提出了利用MLX90614紅外溫度計在線測量物體發(fā)射率的方法，并推導(dǎo)出計算公式；通過黑體等效法驗證了該方法的準(zhǔn)確性和可行性，并利用該方法測量標(biāo)準(zhǔn)樣板的發(fā)射率，測得發(fā)射率最大誤差值為0.05，滿足該方法±0.05的測量精度。該方法操作簡單，系統(tǒng)體積小，可便攜，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的發(fā)射率在線測量。

參考文獻:

[1]Pérez-SáezRB,CampoLdel,TelloMJ.Analysisoftheaccuracyofmethodsforthedirectmeasurementofemissivity[J].InternationalJournalofThermophysics,2008,29(3):1141-1155.

[2]劉豐.發(fā)射率在線測量系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學(xué),2013.

[3]江先軍,葉林,葛俊鋒，等.發(fā)射率在線測試儀的研制[J].儀表技術(shù)與傳感器,2012(3):21-23.

[4]劉豐,葛俊鋒,葉林,等.物體熱發(fā)射率在線測試儀[J].測控技術(shù),2013,32(7):4-7.

[5]齊宏,牛春洋,阮立明,等.不透明材料波段法向發(fā)射率在線測量方法[J].實驗技術(shù)與管理,2014,31(12):31-34.

[6]夏元.主動式發(fā)射率檢測系統(tǒng)技術(shù)研究開發(fā)[D].武漢：華中科技大學(xué),2011.

[7]劉鑫,葉林,葛俊鋒，等.發(fā)熱物體表面發(fā)射率在線長時測量方法[J].儀表技術(shù)與傳感器,2011(8):104-107.

[8]宋揚,王宗偉,戴景民.前置反射式發(fā)射率在線測量裝置的研制[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報,2009,14(3):126-130.

[9]陳斌.雙罩法發(fā)射率在線測量系統(tǒng)的研究開發(fā)[D].武漢：華中科技大學(xué),2011.

[10] 江先軍.單罩比值法發(fā)射率在線測量技術(shù)的研究[D].武漢：華中科技大學(xué),2012.

[11] 王國強.便攜式發(fā)射率測量系統(tǒng)的研制[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2009.

[12] 王卜平.基于FT-IR的材料光譜發(fā)射率測量的標(biāo)準(zhǔn)裝置研究[D].北京：華北電力大學(xué),2013.

[13] 楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2006:245-246.

EmissivityonlinemeasurementsystembasedonMLX90614infraredthermometer*

JIShan-shan,GEJun-feng,YELin,YANZe-hao,JIACheng-an

(SchoolofAutomation,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)

Abstract:In order to achieve fast online measurement of object surface emissivity,an online emissivity measurement system is designed based on MLX90614 infrared thermometer,and system accuracy is verified by blackbody equivalent method,measurement precision can reach ± 0.05.Factors that affect test results are verified by test,it turns out that the influence of distance and cool-end temperature of sensor on measurement result is not obvious.Emissivity measurement tests of standard models also shows that the system can meet requirements of online measurement emissivity.

Key words:emissivity; online measurement; blackbody equivalent method; MLX90614

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0089—04

收稿日期：2015—08—09

*基金項目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2010QN046)

中圖分類號：TP 212.9

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)04—0089—04

作者簡介:

吉珊珊(1992-)，女，湖北棗陽人，碩士研究生，主要研究方向為發(fā)射率在線測量相關(guān)傳感器。