一种准确测量辐射温度的方法

1.本发明属于红外辐射温度测试领域，涉及一种准确测量辐射温度的方法，使用绝热材料作为辅助装置，并结合数学方法求解辐射温度。


背景技术：

2.红外辐射温度测量技术在红外辐射降温，红外吸波材料，红外热成像技术等方向都有重要应用。在科研过程中，科研人员总要使用红外相机对物体的辐射温度进行探测，但是鲜有人定量计算物体的辐射温度，主要原因是在使用红外相机进行探测时，相机接收到的能量会受到外界环境的干扰，也就是说，相机探测到的辐射能量始终是不准确的，所以无法简单的用斯蒂芬-玻尔兹曼定律计算辐射温度。
3.为了能够准确的计算辐射温度，目前高精度的红外相机通过设置发射率、大气透射率和大气温度等重要参数，来实现辐射温度测量；但是现实测试中有些参数难以获取，并且无论如何设置，外界反射这一影响因素始终无法消除，除此之外，高精度的相机价格昂贵且维护成本高。如何使用简易的设备准确的获得待测样品的辐射温度面临着困境。


技术实现要素：

4.针对上述存在问题或不足，为解决现有高精度辐射温度测量面对的高成本和精度相对不足的问题，本发明提出了一种准确测量辐射温度的方法。本发明选择绝热材料(如外侧为铝箔内侧为保温橡塑棉)对待测物体进行包裹，尽量降低外界热源对于待测物体辐射温度的影响；然后选择一个全发射的黑体和一个全反射的金箔作为参考物体，在待测样品所处环境下分别测量出黑体和金箔的辐射温度，通过计算以得到在此位置下的大气辐射能量以及待测物从周围环境接收的能量，在此位置下测量待测物体时，再结合使用上述参考物体的测量结果计算求解待测物体的辐射温度。
5.一种准确测量辐射温度的方法，具体操作过程为：
6.步骤1、在待测物体所处环境下放置绝热材料对待测物体包裹，仅留一个拍摄窗口，绝热材料的包裹腔内侧放置一个黑体(发射率约等于1)，将红外相机放置于拍摄窗口(如样品正上方)，测量出此时样品上的黑体的辐射温度t1；将黑体替换为金箔，并以同样的方法测量出金箔(发射率约等于0)的辐射温度t2。
7.步骤2、将待测物体置于与步骤1黑体相同的测试位置下，并保持相机在步骤1中的位置不变，测出其辐射温度。
8.步骤3、利用红外相机公式以及斯蒂芬-玻尔兹曼定律:
9.e(t
rad
)＝ε
eff
，τe(t
obj
) (1-a
eff
)τe(t
sur
)-(1-τ)e(t
atm
)
ꢀꢀꢀ
(1)
10.e(t)＝gσt4ꢀꢀꢀ
(2)
[0011][0012]
其中公式1中e(t
rad
)是红外相机接收到的辐射能量，ε
eff
是待测物体在8-14μm的等效发射率，τ大气透射率，一般取0.95；e(t
obj
)是待测物体自身的辐射能量，a
eff
是待测物体
在全波段的等效吸收率约等于ε
eff
，e(t
sur
)是从周围环境反射出去的能量，e(t
atm
)是测试环境下的大气的辐射能量。
[0013]
公式2是斯蒂芬-玻尔兹曼定律，e(t)是物体的辐射能量，ε是发射率，σ是斯蒂芬常量，其值为5.670373
×
10-8w·
m-2
·
k-4
，t是物体温度。
[0014]
利用公式1和公式2推导出公式3。
[0015]
黑体的辐射率为1，反射率为0，所以测得的黑体的辐射温度表示为:
[0016][0017]
此时黑体温度等于大气温度t
obj
＝t
atm
，所以得到：
[0018]
t
atm
＝t1ꢀꢀꢀ
(5)
[0019]
金箔的反射率可视为1，辐射和吸收率都可视为0，所以红外相机测得金箔的辐射温度表示为:
[0020][0021]
所以:
[0022][0023]
步骤4、根据上述步骤3计算得到的结果t
atm
、t
sur
和已经测得的样品的等效发射率e
eff
，并利用公式1求解得到待测物体的辐射温度t
rad
。
[0024]
进一步的，所述绝热材料外侧为金属，内侧为保温材料，以最大限度的降低外界热源对于待测物体辐射温度的影响。
[0025]
进一步的，所述绝热材料外侧为铝箔，内侧为保温橡塑棉。
[0026]
进一步的，所述
[0027]
本发明基于相同背景同一位置物体所接收到其他物体的辐射能量以及此位置的大气辐射能量相同，考虑不改变背景环境可一直利用已知条件计算待测物体的辐射温度。为了降低外界热源对于待测物体辐射温度的影响，并进一步采用绝热材料对测试物体进行包裹。充分利用了红外相机接收到的辐射能量可统一归为自身辐射、外界反射和大气辐射三大类，通过测量参照物(黑体和金箔)的辐射温度计算得到某一位置下的任意物体能接收到的辐射能量以及大气辐射能量，将计算结果作为参考计算待测物体的辐射温度，且精确度高。
[0028]
综上所述，本发明充分利用红外相机的原理，采用两个参照物，结合待测物体的测量值，最终准确的计算出待测物体的辐射能量，能够推动红外探测技术以及红外伪装技术的发展，同时对与红外相机的设计也有指导意义。并且本发明所用装置简单，操作方便，且价格低廉。
附图说明
[0029]
图1为待测物体的等效发射率随着温度的变化过程；
[0030]
图2为圆筒状绝热材料正视图图片；
[0031]
图3为圆筒状绝热材料俯视图图片；
[0032]
图4为实施例在实验室地板上测得的铝箔以及黑体的辐射温度；
[0033]
图5为计算得到的辐射温度以及测试得到的辐射温度对比。
具体实施方式
[0034]
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0035]
本实施例是采用了相变材料vo2作为待测物体，首先利用傅里叶光谱仪以及林肯热台测量其在不同温度下的红外光谱，然后对其等效发射率进行计算，得到其不同温度下的等效发射率如图1所示。使用的绝热材料外侧为铝箔，内侧为保温橡塑棉。
[0036]
一种准确测量辐射温度的方法，具体步骤如下：
[0037]
步骤1、在实验室地板上放置圆筒状绝热材料，其正面图和俯视图分别如图2、3所示，圆筒内部放置一个黑体，将红外相机放置于样品上方，测量出此时样品上的黑体的辐射温度为20.1℃，即为293.25k。以同样的方法计算出金箔的辐射温度为30℃，即为303.15k。红外相机测试结果如图4所示。
[0038]
步骤2、将待测样品置于与步骤1相同的测试位置下，保持相机在步骤1中的位置不变，测出待测样品的辐射温度。
[0039]
步骤3、利用红外相机公式以及斯蒂芬-玻尔兹曼定律:
[0040]
e(t
rad
)＝ε
eff
*τe(t
obj
) (1-a
eff
)τe(t
sur
)-(1-τ)e(t
atm
)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0041]
e(t)＝εσt4ꢀꢀꢀ
(2)
[0042][0043]
其中e(t
rad
)是红外相机接收到的辐射能量，e
eff
是样品在8-14μm的等效发射率，τ大气透射率，一般取0.95；e(t
obj
)是样品自身的辐射能量，a
eff
是样品在全波段的等效吸收率约等于ε
eff
，e(t
sur
)是从周围环境反射出去的能量，e(t
atm
)是测试环境下的大气的辐射能量。
[0044]
公式2是斯蒂芬-玻尔兹曼定律，e(t)是物体的辐射能量，ε是发射率，σ是常量，其值为5.670 373
×
10-8w·
m-2
·
k-4
，t是物体温度。
[0045]
利用公式1和公式2可以推导出公式3。
[0046]
黑体的辐射率为1，反射率为0，测得的辐射温度表示为:
[0047][0048]
此时黑体温度等于大气温度t
obj
＝t
atm
，所以得到：
[0049]
t
atm
＝t1＝293.25k
ꢀꢀꢀ
(5)
[0050]
金箔的反射率可视为1，辐射和吸收率都可视为0，所以红外相机测得的辐射温度
[0051][0052]
所以:
[0053][0054]
步骤4、根据上述步骤3计算得到的结果t
atm
、t
sur
和已经测得的样品的等效发射率ε
eff
，利用公式1计算得到样品的辐射温度t
rad
。
[0055]
将待测样品在不同的发射率下计算得到的辐射温度与实际测量得到的辐射温度对比，并制作成图5。
[0056]
通过以上实施例可见：即使样品自身的温度一直在变化，使用本发明方法得到的辐射温度和实际测量出的辐射温度基本保持一致。该方法精确度高，装置简单易制作，操作方便，对红外相机精度要求低，并且该计算方法适应于各种各样的外界环境。利用本发明方
法可以计算任意物体(实施例为相变材料依然有效)的辐射温度。在误差允许的情况下，实施例中计算出的物体的辐射温度和实际用红外相机测试的辐射温度基本相同，充分说明利用本发明方法获得的辐射温度是准确的。