朱志星,葉 林，任宏宇,范博龍

(華中科技大學人工智能與自動化學院，湖北武漢 430074)

0 引言

發(fā)射率是表征物體輻射能力的熱物性參數(shù)[1]。發(fā)射率指的是實際物體的輻射力與同溫度下黑體輻射力之比，表征實際物體輻射能力接近黑體輻射的程度[2]。發(fā)射率的測量方法眾多，大致可以分為能量法、反射率法、量熱法以及多波長法[3-8]。

量熱法簡單準確，并且有廣泛的應用，但是對于被測物體表面溫度分布不均時其計算得到的發(fā)射率誤差較大[9]；多波長法可以同時測量被測對象的波長和溫度，但是其測量精度易受到假設的波長與發(fā)射率模型的影響[2]，相關的理論不夠完善，測量精度不能得到很好的保證；反射率法可以有效用于在線測量，但是其結(jié)構(gòu)較為復雜，需要積分球分射計以及參考輻射源[10-14]，無法克服工業(yè)現(xiàn)場強震動影響；上述各種方法均有其局限性，本文選擇了結(jié)構(gòu)較為簡單，便于實現(xiàn)在線測量的能量法作為發(fā)射率測量原理。

本文基于RM-6A型紅外熱敏電阻采用能量法的測量原理實現(xiàn)了發(fā)射率測量系統(tǒng)，解決了熱敏電阻溫度漂移問題，拓寬了系統(tǒng)的工作溫度范圍。改進了探測器設計，大幅度降低了強背景輻射對系統(tǒng)測量精度的影響。同時利用黑體等效法和傅里葉光譜儀對照測量實驗驗證了系統(tǒng)有較好的測量精度。

1 測量原理

發(fā)射率指的是實際物體的輻射力與同溫度下黑體輻射力之比，其表示式為

(1)

假設傳感器敏感元件接收到外界的輻射為E，同時敏感元對于熱輻射的吸收系數(shù)為σ，則敏感元吸收的熱輻射能量為σE，敏感元件的比熱容為c，質(zhì)量為m，則[15]：

σE=cmΔT

(2)

由式(2)可知，能量E與溫度變化量ΔT成正比。由于核心傳感器其R-T特性具有負溫度系數(shù)，隨著溫度的降低其自身阻值會不斷增大，R-T特性曲線圖如圖1所示。前置電路為橋式電路。根據(jù)橋式測量電路原理，探測器單元在接受目標輻射前：

(3)

式中：RC為橋臂電阻；Rfs為傳感器敏感元電阻；R1為上橋臂電阻；K為測量電路的放大倍數(shù)。

圖1 傳感器R-T曲線

(4)

(5)

(6)

由于Rfs基值為MΩ級別，當熱敏電阻接受輻射時，其電阻變化量較小(Rfs>>ΔRfs),所以：

(7)

從式(7)可以看出，ΔVout與Rfs成反比，與ΔRfs成正比。

當核心傳感器接受輻射時，傳感器會產(chǎn)生溫升。它吸收的能量Q可表示為

Q=cmΔT

(8)

如圖1所示，傳感器的阻值會隨著溫度的升高而降低。不妨設主元電阻與溫度T的函數(shù)關系為

Rfs=f(T)

(9)

假設在測量開始前，傳感器的初始溫度為T0，則當傳感器敏感元接受外界輻射信號時，其自身會產(chǎn)生 ΔT的溫升，并且有下式：

ΔRfs=f′(T0)ΔT

(10)

代入式(6)有：

(11)

由式(7)、式(10)可以得到：

(12)

從式(11)及主元電阻的溫度特性曲線可以看出，在測量之前初始溫度T0確定時，在此狀態(tài)下Q正比于ΔVout。

Q=EtSβα

(13)

在測量時，電機以1 Hz恒定的頻率旋轉(zhuǎn)，因此測量時間固定。在探測器安裝位置固定，傳感器確定時，S、β、α等參數(shù)均確定并且維持不變，代入式(12)有：

(14)

由發(fā)射率的定義式有：

(15)

實驗室采用面源黑體爐作為基準源，其發(fā)射率記為εb(約為0.95)，輻射能量記為Eb，則：

(16)

式中：Vouto為在固定距離下，探測器對目標的響應；Voutb為相同距離下，探測器對面源黑體爐的響應；εb為相同溫度以及相同波段下面源黑體爐的發(fā)射率數(shù)值。

系統(tǒng)正式測試前，需要利用面源黑體爐標定探測器建立面源黑體爐溫度與Voutb離線數(shù)據(jù)庫。在實際測量時，根據(jù)熱電偶接觸式測得目標真實溫度查離線數(shù)據(jù)庫得到Voutb，然后根據(jù)實時測得對象的Vouto數(shù)據(jù)計算發(fā)射率。

2 系統(tǒng)設計

2.1 RM-6A紅外熱敏電阻

系統(tǒng)采用的核心傳感器為RM-6A型紅外熱敏電阻型傳感器。該型傳感器接收外界紅外輻射能量時，其自身阻值會發(fā)生1～3 kΩ的變化。RM-6A熱敏電阻傳感器前端為特制的鍺鏡頭(凸鏡頭)，能夠讓盡量多的法線方向的平行入射的輻射信號對圖2(a)傳感器敏感元產(chǎn)生響應，減少了非法線方向的入射輻射作用于傳感器敏感元從而減小測量誤差。傳感器內(nèi)部敏感元件對于2～16 μm波段的輻射能量有近似常數(shù)的響應增益，電阻上方涂有高發(fā)射率的發(fā)黑涂層使得傳感器對于外界的輻射能量的吸收率高達95%以上。傳感器每次接受外界輻射都會產(chǎn)生圖2(c)的響應，根據(jù)官方的手冊上的數(shù)據(jù)階躍響應的上升時間大概1.8～3 ms，足以滿足實際的測試需求。

圖2 RM-6A紅外熱敏電阻

2.2 探測器設計

系統(tǒng)的測量探測器的機械結(jié)構(gòu)經(jīng)過了多次設計加工、實驗測試多次得以成型，如圖3所示。為了解決工業(yè)現(xiàn)場強背景輻射干擾問題，探頭最外側(cè)設置了熱屏，采用鋁合金和不銹鋼。熱屏抵御外部周邊輻射對傳感器的影響。探頭內(nèi)部設置有冷卻水回路保證傳感器接受待測目標的紅外輻射而自身溫度不會發(fā)生較大的上升。為了準確獲取傳感器的輻射信號，同時維持其工作點穩(wěn)定。傳感器前端安裝由直流電機驅(qū)動的帶有對稱60°開口的葉片，直流電機以1 Hz的固定頻率旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)了輻射信號的調(diào)制。

圖3 探測器結(jié)構(gòu)示意圖

探測器前端設置有帶螺紋的準直管，準直管內(nèi)壁通循環(huán)流動的低溫水以降低準直管溫度，外壁涂有高發(fā)射率材料吸收雜散輻射。準直管的設計一方面用來消除背景輻射，另一方面減小輻射源的測量面積。理論上有效測量面越小，測量精度越高，但是測量面越小其發(fā)出的輻射功率也越小，每個傳感器都有最小可分辨功率，如果小于該值則無法測量[14]。圖4為準直管結(jié)構(gòu)示意圖，圖中e1為雜散背景輻射，e2為測量窗口外輻射，e3為測量有效輻射可以直接作用于傳感器。由圖4可以看出e1及e2為主要的測量誤差來源,e1和e2中的部分輻射能量經(jīng)過反射會偏離核心傳感器。另有部分能量，設為ψ經(jīng)過多次(設為n次)反射最終會進入傳感器，由于準直管外壁涂有高發(fā)射率材料(ε>0.9)，最終進入傳感器的能量為ψ(1-ε)n，所以當準直管長度夠長，最終背景輻射的影響便可以忽略。經(jīng)過大量理論研究和實驗，我們選擇準直管長度為50 mm，內(nèi)徑為8 mm。由于大部分背景輻射能量會被準直管外壁吸收，采用低溫循環(huán)水冷可以使準直管保持低溫環(huán)境，進一步降低測量誤差。

圖4 準直管結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 硬件電路及測控軟件設計

2.3.1 硬件電路設計

硬件電路主要完成傳感器的溫度補償、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集以及與上位機通訊等工作。橋式電路的輸出端為mV級的微弱信號，如圖5所示。經(jīng)由四階巴特沃斯低通濾波器過濾掉了工頻干擾以及高頻噪聲，然后經(jīng)由10 000倍左右的線性放大最終得到1 Hz的方波信號。從圖1可以看到，傳感器阻值隨著自身溫度變化會出現(xiàn)較大的變化，從室溫下的約200 K變化到-15 ℃下最大為1 400 K，為了使系統(tǒng)能夠工作在較大的環(huán)境溫度范圍(-5～25 ℃)下，同時保證輸出不至于出現(xiàn)飽和，橋臂另一端的阻值必須實時跟蹤補償。電子系統(tǒng)采用電磁繼電器短接電阻串接I2C驅(qū)動程控電阻的方式，利用ADC采集的輸出電壓采用PID算法反饋調(diào)節(jié)實現(xiàn)自動溫度補償，從而維持系統(tǒng)輸出基值在合理的電壓范圍。

圖5 硬件電路結(jié)構(gòu)圖

2.3.2 測控上位機軟件設計

整套發(fā)射率測量系統(tǒng)由4套探測器組成，基于Modbus協(xié)議進行通訊。上位機軟件每隔1 s輪詢每個探測器。為了保證數(shù)據(jù)獲取以及處理的實時性，上位機軟件采用多線程方式。分為數(shù)據(jù)通訊線程、界面曲線刷新線程、數(shù)據(jù)處理保存線程等。同時，設置了系統(tǒng)開機故障檢測功能，以及使用日志等功能，保證系統(tǒng)可以可靠地運行。上位機軟件是基于QT開源界面庫實現(xiàn)。系統(tǒng)的核心探頭在使用之前需要利用標準面源黑體爐進行標定。標定完成之后，將標定數(shù)據(jù)保存至PC。在上位機軟件收到下位機數(shù)據(jù)之后，利用滑窗濾波的方式對測量輻射信號數(shù)據(jù)進行平滑處理，處理得到輻射數(shù)據(jù)之后利用標定數(shù)據(jù)和推導的計算公式就能實時計算并顯示待測對象的發(fā)射率數(shù)據(jù)。

3 發(fā)射率測量實驗研究

3.1 測量實驗原理

基于上述發(fā)射率測量原理，搭建了發(fā)射率測量實驗系統(tǒng)。待測樣板置于加熱爐上，并在待測實驗樣板上焊接2路熱電偶，接觸式測量樣板真實溫度，將探測器置于樣板上方適當距離處，連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及上位機系統(tǒng)軟件，另外搭建好光譜儀測試光通路，兩者同時測量。測量原理實驗框圖如圖6所示。

圖6 測量實驗原理圖

3.2 系統(tǒng)測量準確性驗證

3.2.1 樣板測試實驗驗證

為了驗證系統(tǒng)測量準確性，選取了若干塊不同材料的金屬樣板，利用研制的發(fā)射率測量系統(tǒng)測量金屬樣板在不同溫度下的發(fā)射率。由于樣板的發(fā)射率數(shù)據(jù)會隨著樣板的溫度以及表面狀態(tài)不同而發(fā)生改變，因此為了準確驗證系統(tǒng)的測量精度，在系統(tǒng)測量的同時也利用2～25 μm的傅里葉光譜儀同時對待測樣板進行測試。

利用傅里葉紅外光譜儀測試樣板發(fā)射率時，參考了文獻[16]的測試方法。首先利用光譜儀測得黑體爐在不同溫度點的光譜數(shù)據(jù)，基于能量法計算樣板的光譜發(fā)射率，最終積分得到了樣板在2～16 μm波段內(nèi)的發(fā)射率。

圖7為輕微氧化的金屬鉻的發(fā)射率測量曲線，從測量數(shù)據(jù)曲線可以看出該金屬的發(fā)射率測量數(shù)值隨著金屬的溫度上升而緩慢變大，這基本符合金屬發(fā)射率隨溫度變化的一般特性。同時，利用傅里葉光譜儀的對照實驗看出，兩者測量的誤差不超過0.03，證明了本系統(tǒng)測量發(fā)射率的準確性。

圖7 金屬鉻發(fā)射率對比圖

圖8為經(jīng)過高溫氧化后的不銹鋼的發(fā)射率測試曲線。該材料發(fā)射率較高，達到0.8左右。從曲線上可以看出，本文所研制系統(tǒng)與傅里葉光譜儀測量同一材料時，所測的發(fā)射率數(shù)據(jù)誤差不超過0.05，測量數(shù)據(jù)隨著溫度緩慢上升的趨勢也符合金屬發(fā)射率隨溫度變化的一般規(guī)律。

圖8 氧化后的不銹鋼發(fā)射率對照圖

3.2.2 黑體等效法驗證

驗證系統(tǒng)發(fā)射率測量準確性一般使用標準樣板，但是標準樣板保存困難，而且在進行一次校準實驗之后其發(fā)射率會發(fā)生改變將不可再次使用。于是，我們在實際校準時采用黑體等效法，黑體等效法是通過黑體爐來間接驗證測試系統(tǒng)正確性的一種方法，可以代替標準樣板。其原理是輻射量保持不變，某塊發(fā)射率為ε1的標準樣板在溫度為T1時發(fā)出的輻射能量等于面源黑體爐在Tb下發(fā)出的輻射能量(面源黑體爐發(fā)射率約為0.95且較為穩(wěn)定)。

(17)

(18)

式中：ε1為面源黑體爐發(fā)射率；c1、c2為第一、第二輻射常數(shù)；T1、Tb為面源黑體爐的2個溫度點。

設定Tb=200、400 ℃，根據(jù)黑體等效法計算結(jié)果如表1、表2所示。

表1 Tb=200 ℃時黑體等效法驗證結(jié)果

表2 Tb=400 ℃時黑體等效法驗證結(jié)果

從表1和表2可以看出，溫度較低時系統(tǒng)發(fā)射率測量誤差最大為0.055，溫度較高時發(fā)射率測量會更加準確，誤差更小?？傮w來說，系統(tǒng)測量誤差均小于0.06。

4 結(jié)論

本文介紹了基于RM-6A紅外熱敏電阻實現(xiàn)的發(fā)射率測量系統(tǒng)。該型發(fā)射率測試系統(tǒng)可以對工業(yè)現(xiàn)場目標進行在線的發(fā)射率測試。探測器的準直管以及循環(huán)水冷設計可以有效地減弱工業(yè)現(xiàn)場強背景輻射對傳感器測量精度的影響，反饋式程控電阻溫度補償將傳感器的工作溫度范圍拓寬到-5～25 ℃。利用發(fā)射率測試系統(tǒng)和傅里葉紅外光譜儀進行大量樣板對比測試實驗，驗證了系統(tǒng)的發(fā)射率測量誤差低于0.06，有較好的測量精度。