红外热像仪与表面热电偶测量发射率的匹配法

材料与试验协会（American society for testing and materials，ASTM）给出了红外成像设备测量和补偿发射率的方法以及适用条件[6]。杨立等[7]给出了测量发射率时表面辐射率误差的计算公式。黄龙祥等[8]建立了基于红外热像仪的涂层波段发射率测量装置，实际测试发射率0.708与0.920 之间的4个标准样品，误差不大于2.06%。徐军等[9]提出一种用热像仪和热板仪结合测量织物红外发射率方法。白敬晨等[10]针对双参考体方法计算公式中参数n的取值加以改进，推导出了物体发射率计算公式并给出了适用条件。刘华等[11]建立了毫米级非均匀粗糙表面红外发射率的等温测量装置，导出热电偶与红外热像仪双重测温的红外发射率计算公式。李园园等[12]通过改变环境辐射的方法测定目标的反射率得到物体的发射率，采用黑体作为主动辐射源改变环境辐射，对3种物质分别进行了发射率测量。刘连伟等[13]针对大型设备表面发射率测量提出一种工程测量方法，利用两个发射率已知的参考物，以消除环境辐射对表面发射率测量的影响。

本文首先介绍了红外热像仪与接触测温法结合测量发射率的原理，然后介绍了热像仪与表面热电偶组合测试发射率的实验装置，最后在近环境温度范围对测试样品的发射率进行了测试，并给出了样品在不同温度区间内的发射率。

1 实验原理和实验装置

1.1 匹配法的实验原理

红外成像设备与接触测温法结合可以测量发射率，其基本测量原理是针对同一测量点，用接触测温法测量其温度，再用红外热成像设备测量其温度，通过这两个温度测量值的比较以确定测点的表面发射率。

根据上述原理，为了使接触法更准确地测量点的温度，提出了采用表面热电偶的匹配法。具体方法是：用标定过的表面热电偶测量物体表面测量点所在区域的真实温度值T1，再以T1为参考值，用标定过的红外热像仪（其工作波长为λ1到λ2）对同一区域进行测量，调整红外热像仪的发射率的值，直到温度值T2与参考值T1相同。此时的发射率值即物体表面在温度为T1时，波长范围为λ1到λ2的发射率。

需要指出的是，匹配法需要对被测物体进行加热或者制冷，以满足测量时所必须符合的温度条件。

1.2 实验装置

根据匹配法，在实验室环境下搭建了测量发射率的实验装置。构成实验装置的主要设备和仪器包括以下4种：

1）红外热像仪。实验采用的红外热像仪是一个标定过的红外热像仪，并且热像仪的环境温度参数和发射率参数可以设置和调整。在实验中采用了FLIRE60型热像仪。

2）三脚架。三脚架用于红外热像仪的定位。

3）样品加热装置。按照匹配法测量方法以及ASTM E1933-99a测试标准，测量必须满一个温度条件，即被测样品温度与环境温度的差值在10 ℃以上。为满足这一条件，对样品进行加热或者制冷。建立的实验装置中选用了对样品加热的方法，以保证满足温度条件。样品加热装置采用了安立公司ACS II-2000温度标准源，其实物图如图1所示，其中黑色条状物为待测样品。用ACS II-2000温度标准源加热样品时，目标温度可以设定在室温到500 ℃之间，从室温到250 ℃的加热时间为20 min，从250 ℃冷却到50 ℃的时间为70 min。

4）表面热电偶。匹配法要求用表面热电偶测量物体表面温度，实验中采用了一种表面热电偶，其具体产品型号为NR-81532B。NR-81532B是一种K型表面热电偶，其实物图如图2，其感温头带有弹簧结构，即图中弓形金属片及支持结构，这种结构可以使感温头紧密附着于被测物体表面。

以上4种设备构成实验装置的主要部分。实验中还使用软件FLIR Tools和安立HD-1200K温度记录仪分别记录热像仪和表面热电偶的数据。

2 测试样品和实验过程

2.1 测试样品

在工程测量中，电气绝缘胶带常被用作发射率的参考物质[14]。根据文献公布的参考数据，3M Scotch Super 88型电气绝缘胶带的发射率为0.95，3M 1712型电气绝缘胶带为0.93。实验中选择了这两种绝缘胶带作为测试样品。由于物体的表面发射率与温度有关，在一个比较宽的温度范围内，这两种绝缘胶带的发射率随温度是变化的。利用建立的实验装置，实测了绝缘胶带样品在室温到140 ℃范围内的发射率。

2.2 实验过程

把测试样品在ACS II-2000温度标准源的加热平台上定位，通过ACS II-2000温度标准源的温控器，设定加热的目标温度。在温控器的温度指示值到达该目标温度后，保持10 min，以保证样品与加热平台之间达到热平衡，再分别用表面热电偶和红外热像仪对测试样品的表面温度进行测量。

在一个固定的温度点上，一次测量过程具体描述如下：

1）将红外测温仪安装在三脚架上，相对于测试样品进行定位，保证测量距离和测量角度符合使用规范。

2）用红外热像仪瞄准被测样品。

3）使用红外热像仪的点温、十字线瞄准和等温线功能，测量和补偿由于反射温度所引起的误差。

4）用表面热电偶测量同一测量区域的温度，并记录这个温度值。

5）保持热像仪图像不动，调整热像仪发射率，直到热像仪图像指示温度与步骤4）中温度值相同。记录这时的发射率值，作为测试样品在该目标温度下、该工作波段上的发射率。

6）重复步骤1）到步骤5）过程3次，取3次测量值的平均值作为发射率值。

在完成一个温度点上的测量后，进入下一个温度点。设定不同的加热目标温度，可以得到测试样品在不同温度点上的发射率。

3 实验结果及分析

3.1 实验结果

在室温为20 ℃的环境下，对两种绝缘胶带的表面发射率进行了测量。定义T0为加热器设定的加热温度，T1为表面热电偶测量得到的样品表面温度值，ε为热像仪匹配于T1时的发射率值。在每个温度点测量3次，ε取3次测量值的平均值。

图3为加热器设定温度T0在50 ℃时两种样品的热图像。图4为加热器设定温度T0在100 ℃时两种样品的热图像。

表1和表2分别为两种样品分别在室温到140 ℃的测量数据，ε为3次发射率测量值的平均值。

3.2 分 析

3M Scotch Super 88型绝缘胶带用于电工领域，其使用温度区间为-18～105 ℃，从表1可以看出，当把它用作发射率参考物质时，温度区间上限可以从105 ℃扩展到140 ℃，在扩展区间内，发射率仍基本稳定。

3M 1721型绝缘胶带用于电工领域，其使用度区间为0～80 ℃，从表2可以看出，当把它用作发射率参考物质时，温度区间上限可以扩展到120 ℃。

在近环境温度范围，把3M Scotch Super 88型绝缘胶带用作发射率参考物质时，其发射率在两个温度区间具有稳定值：在50～100 ℃，其发射率为0.92；在100～140 ℃，其发射率为0.93。把3M 1721型绝缘胶带作发射率参考物质时，其发射率同样是在两个温度区间内具有稳定值：在50～100 ℃，其发射率为0.92；在 100～120 ℃，其发射率为0.93。

4 结束语

根据红外热成像设备与接触测温法结合测量发射率的原理，本文提出了红外热像仪与表面热电偶组合测量发射率的匹配法，建立了实验装置，并在近环境温度范围内，采用加热方法对工程测量中常用的发射率参考物进行了测试，给出了其在不同温度区间内的发射率。该发射率值可用做红外热像仪工程测温中的参考值。

参考文献

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（编辑：刘杨）