吉珊珊， 葛俊鋒， 葉　林， 閆澤豪， 賈誠(chéng)安

(華中科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430074)

基于MLX90614紅外溫度計(jì)的發(fā)射率在線測(cè)量系統(tǒng)*

吉珊珊， 葛俊鋒， 葉林， 閆澤豪， 賈誠(chéng)安

(華中科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430074)

摘要:為了實(shí)現(xiàn)對(duì)物體表面發(fā)射率的快速在線測(cè)量，設(shè)計(jì)了一種基于MLX90614紅外溫度計(jì)的發(fā)射率在線測(cè)量系統(tǒng)，并通過(guò)黑體等效法驗(yàn)證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，系統(tǒng)的測(cè)量精度可達(dá)±0.05。同時(shí)，對(duì)影響試驗(yàn)結(jié)果的因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明距離與傳感器冷端溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響不明顯。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)樣板的發(fā)射率測(cè)量實(shí)驗(yàn)也表明：該系統(tǒng)能滿足在線測(cè)量發(fā)射率的要求。

關(guān)鍵詞：發(fā)射率； 在線測(cè)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(cè)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(cè)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(duì)輻射測(cè)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(cè)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(zhǎng)法等[2～4]。其中，量熱法只能對(duì)物體的全光譜發(fā)射率進(jìn)行測(cè)量[5]；反射法和輻射能量法可測(cè)量物體的光譜發(fā)射率，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要反射計(jì)腔或者參考黑體等[6]；多波長(zhǎng)法能測(cè)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(cè)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(cè)量或便攜式測(cè)量[7]。

近年來(lái)，也涌現(xiàn)出了幾種比較新型的發(fā)射率在線測(cè)量方法，包括哈爾濱工業(yè)大學(xué)的宋揚(yáng)、戴景民等人[8]研制的前置反射器發(fā)射率在線測(cè)量裝置，華中科技大學(xué)的陳斌[9]研究開(kāi)發(fā)了雙罩法發(fā)射率在線測(cè)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(cè)量發(fā)射率等，這些方法都較高精度地實(shí)現(xiàn)了發(fā)射率在線測(cè)量。但是這些測(cè)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(cè)量物體發(fā)射率的方法，并以黑體等效法對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，然后對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣片表面發(fā)射率進(jìn)行在線測(cè)量實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明：該方法測(cè)量發(fā)射率可靠性高，可達(dá)到較高的精度。

1發(fā)射率

1.1發(fā)射率測(cè)量原理

單位時(shí)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(zhǎng)范圍內(nèi)的能力稱(chēng)為輻射力，記為E。輻射力是用來(lái)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(shí)際物體不能完全吸收投入到其表面上的輻射能量，所以,實(shí)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(chēng)為實(shí)際物體的發(fā)射率或黑度[12]，記為ε

(2)

故實(shí)際物體的輻射力可以表示成為

(3)

而在某個(gè)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(shí)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(cè)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(guò)比值即可得到目標(biāo)物的發(fā)射率為

(7)

1.2MLX90614紅外溫度計(jì)

MLX90614是由Melexis公司生產(chǎn)的一種紅外溫度計(jì)，波長(zhǎng)范圍為5.5～14μm。它是由紅外熱電堆傳感器MLX81101和信號(hào)處理專(zhuān)用芯片MLX90302共同集成，可實(shí)現(xiàn)高精度和高分辨率的溫度采集，測(cè)量辨析度可達(dá)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(hào)由二者共同決定，且可測(cè)量溫度范圍為環(huán)境溫度-40～125 ℃，物體溫度-70～382.19 ℃。

MLX90614通過(guò)IR傳感器測(cè)量目標(biāo)溫度，并由內(nèi)部狀態(tài)機(jī)控制物體溫度和環(huán)境溫度的測(cè)量和計(jì)算，進(jìn)行溫度處理后，可以將結(jié)果通過(guò)二線SMBus兼容協(xié)議接口或10位PWM輸出模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。熱電堆測(cè)得的目標(biāo)溫度記為T(mén)O。

1.3公式推導(dǎo)

(8)

式中Er和Erb為熱電堆測(cè)得的被測(cè)物體和黑體的總的輻射力，Eu和Eub為熱電堆測(cè)得的被測(cè)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(guò)測(cè)得的溫度值進(jìn)行計(jì)算的公式為

(9)

2黑體等效法

一般情況下是以測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)樣板發(fā)射率來(lái)衡量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，但是標(biāo)準(zhǔn)樣本在使用過(guò)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(gè)定值，所以，測(cè)量系統(tǒng)并不能很好地檢驗(yàn)本身的測(cè)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(lái)檢驗(yàn)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(lái)得到相同高溫下低發(fā)射率時(shí)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(yàn)分析

(12)

表1　100 ℃下各發(fā)射率對(duì)應(yīng)溫度

對(duì)于表1中的各個(gè)溫度點(diǎn)，利用測(cè)量系統(tǒng)對(duì)面源進(jìn)行測(cè)量，探頭與面源中心距離為50mm，可得到相對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度，通過(guò)式(12)計(jì)算實(shí)際發(fā)射率值，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　各溫度值下對(duì)應(yīng)的發(fā)射率值

300 ℃下各發(fā)射率對(duì)應(yīng)的面源溫度如表3。

表3　300 ℃下各發(fā)射率對(duì)應(yīng)溫度值

同樣地，對(duì)表3中各個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，得到的測(cè)量值如表4所示。

表4　各溫度值下對(duì)應(yīng)的發(fā)射率值

根據(jù)表中測(cè)得結(jié)果，系統(tǒng)實(shí)際測(cè)得的發(fā)射率與理論計(jì)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(yàn)過(guò)程中，影響測(cè)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(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

對(duì)于非接觸測(cè)溫中，距離對(duì)測(cè)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(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，通過(guò)黑體等效法，在不同距離下做了相同試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5、表6所示。

表5　距離對(duì)發(fā)射率測(cè)量結(jié)果的影響(T=100 ℃)

表6　距離對(duì)發(fā)射率測(cè)量結(jié)果的影響(T=300 ℃)

由表5和表6數(shù)據(jù)可得:距離對(duì)測(cè)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(rèn)為微小距離的變化對(duì)發(fā)射率測(cè)量結(jié)果沒(méi)有影響。

此外，也做了傳感器冷端溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響試驗(yàn)。由于MLX90614內(nèi)部自帶溫度補(bǔ)償，所以,在測(cè)量過(guò)程中，其冷端溫度變化最大不超過(guò)1 ℃，因而冷端溫度的升高對(duì)發(fā)射率的影響并不大，誤差保持在±0.05以?xún)?nèi)，滿足測(cè)量要求。

3發(fā)射率測(cè)量試驗(yàn)

3.1測(cè)量原理

本文在測(cè)量目標(biāo)物的發(fā)射率時(shí)，在目標(biāo)物表面焊接一個(gè)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(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1。其中，白板爐加熱被測(cè)樣板，被測(cè)樣板可達(dá)到的溫度范圍為0～300 ℃。

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

3.2測(cè)量試驗(yàn)

測(cè)量系統(tǒng)以標(biāo)準(zhǔn)樣板作為被測(cè)對(duì)象進(jìn)行了測(cè)量試驗(yàn)。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(duì)其逐漸加溫，測(cè)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣板的實(shí)際表面溫度會(huì)有差異。測(cè)量結(jié)果如表7、表8所示。

表7　粗銅發(fā)射率測(cè)量值

表8　光銅發(fā)射率測(cè)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(cè)量結(jié)果較為穩(wěn)定，發(fā)射率測(cè)量值誤差最大為0.05，符合系統(tǒng)±0.05的測(cè)量精度，并且光滑銅板的發(fā)射率測(cè)量值隨著溫度的升高有上升的趨勢(shì)，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(jì)在線測(cè)量物體發(fā)射率的方法，并推導(dǎo)出計(jì)算公式；通過(guò)黑體等效法驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性和可行性，并利用該方法測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)樣板的發(fā)射率，測(cè)得發(fā)射率最大誤差值為0.05，滿足該方法±0.05的測(cè)量精度。該方法操作簡(jiǎn)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(cè)量。

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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(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2010QN046)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP 212.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000—9787(2016)04—0089—04

作者簡(jiǎn)介:

吉珊珊(1992-)，女，湖北棗陽(yáng)人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榘l(fā)射率在線測(cè)量相關(guān)傳感器。