物体表面发射率的测量方法

文章编号：1006-1576（2007）08-0072-03

物体表面发射率的测量方法

罗晓春，孙继银

（第二炮兵工程学院 研究生3队，陕西 西安 710025）

摘要：根据测量物体表面的大气参数、环境温度、被测物体表面温度，并设置红外热像仪发射率设置为1，得出热图像温度。再利用热像仪测温原理计算出热像仪探测到的总辐射出射度，进而计算出被测物体表面发射率。为验证测量结果的准确性，将热像仪发射率设置为此计算值，根据此时的热图像温度与采用非红外测量方法得到的温度进行比较。此测量方法测试装置简单，测试程序简洁，测试结果准确。

关键词：物体表面发射率；热像仪测温；辐射出射度 中图分类号：TP722.5; TP206.1 文献标识码：A

Method for Measuring Object Surface Emissivity

LUO Xiao-chun, SUN Ji-yin

(No.3 Brigade of Graduate, Second Artillery Engineering College, Xi’an 710025, China)

Abstract: According to measuring result of the atmosphere parameters, ambient temperature and the object’s surface temperature, the value of infrared camera’s emissivity is set as 1 and the infrared image’s temperature is got. Then, work out the total radiant emittance which was detected by the infrared camera in the theory of measuring temperature with infrared camera. After that, work out object surface emissivity. In order to verify the result’s veracity, set the value of infrared camera’s emissivity as the value, which was got from the last step. It could be directly concluded by comparing the infrared image’s temperature with the one that was got by means of non-infrared measuring ways. This measuring technology is simple in the measuring device, succinct in the techniques, and has the precise measuring result.

Keywords: Object surface emissivity; Infrared camera for measuring temperature; Radiant emittance

0 引言

物体表面发射率的测量，利用红外热像仪，并基于辐射度学度量方法进行测量，其测温取决于被测目标的发射率、大气温度、环境温度、测试距离等参数。其中，发射率较难确定，故必须对其在某波段内的平均发射率重新测定，以尽量减少误差。

σ＝5.67×10-8 W /(m2·K 4) (3)

1 原理

1.1 辐射出射度的2种计算方法

辐射出射度指辐射通量的表面密度，即辐射通量与辐射表面面积之比。依普朗克定律，黑体的光谱辐射出射度为：

W λ=c 1λ5[exp(c 2/λT ) −1] (1)

式(3)中的定积分不易求得，但可采用2种方法计算：① 利用计算机直接近似积分，可采用Matlab 工具进行计算；② 采用查表方法求取近似

方法如下：设波长的无量纲坐标x λ＝λ/λM ，积分[3]，

λM 表示热力学温度为T 时光谱辐射出射度最大的峰值波长（可由维恩位移定律求得），可用列表函数

z λ(xλ) ＝W 0-λ/W 0-∞计算绝对黑体的辐射出射度。则：

λ2λ2λ1

W λ1−λ2=∫λW λd λ=∫0W λd λ−∫0W λd λ=W λ2−W λ1 1

λ2W λ2=∫0W λd λ=z λ(x λ2) W 0−∞=σT 4z λ(x λ2)

λ1W λ1=∫0W λd λ=z λ(x λ1) W 0−∞=σT 4z λ(x λ1)

即：W λ1−λ2=σT 4[z λ(x λ2) −z λ(x λ1)] (4) 1.2 发射率的测试原理

式中，c 1＝3.742×10W ·m ，c 2＝1.4388×10

W ·K 。对表面温度为T ，光谱范围为[λ1, λ2]（0＜λ1＜λ2）的物体的光谱辐射出射度为：

-162-2

λ2

W λ1−λ2=∫λc d λλ5[exp (c 2T )−1] (2) 11

依广义定积分原理得出黑当λ1=0, λ2→∞时，

体的辐射出射度，即斯蒂芬－玻尔兹曼定律为:

W 0−∞=

∞

∫0c 1d λ

图1 路径上的不同辐射

λ[exp(c 2/λT ) −1]=σT

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红外探测器接收的辐射含目标辐射和对周围环境辐射的反射。这些辐射经大气衰减和辐射，到达

收稿日期：2007-05-16；修回日期：2007-06-27 基金项目：国防“十一五”预研项目（513220208） 作者简介：罗晓春（1982-），男，四川人，第二炮兵工程学院在读硕士，从事红外技术应用、多媒体信息处理、自动检测技术研究。

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探测器，如图1。探测器接受的总辐射能W tot 为： W tot ＝ετW obj +(1-ε) τW amb +(1-τ)W atm (5) 式(5)中：ε是物体表面发射率；τ为大气透射率，(1-τ) 为探测距离内的平均大气发射率。目标辐射＝ετW obj ，周围环境的反射辐射＝(1-ε) τW amb ，大气辐射＝(1-τ)W atm 。由式(5)整理得：

ε＝[Wtot -τW amb -(1-τ)W atm ]/[τW obj -τW amb ] (6)

该装置选用ThermoVision A40-M 型热像仪。注意测试环境不应有强热辐射源，如图2。热电偶负责测量目标的表面温度和环境温度，可认为环境温度即为大气温度。

电脑

在远红外大气窗口，室内大气透射率接近于1，即τ＝1，因此式(6)经整理得：

ε＝[Wtot -W amb ]/[Wobj -W amb ] (7)

W atm 、W amb 、W obj 可利用传统测温装置测量得到；

图2 测量发射率装置示意图

大气透射率可依实际测试环境参数，利用Lowtran7.0计算得到；探测器接受的总辐射能W tot 可利用红外热像仪间接得到：式(5)中，可将热像仪的拍摄发射率置为1，得W tot ＝τ'W' obj +(1-τ')W atm ，

W' obj 依热图像得到，若是室内环境，有W tot ＝W' obj 。

与传统测温装置得到的温度有所区别；τ' 依设置的环境参数计算得到，与Lowtran7.0计算结果有差别。式(6)整理为：

ε＝[τ' W ' obj +(τ－τ' )W atm －τW amb ]/[τW obj －τW amb ] (8)

2.2 测试过程步骤

(1) 利用接触测量法测量目标表面温度T obj ，得W obj ；(2) 利用接触测量法测量大气温度T atm ，得W atm 和W amb （设T atm ＝T amb ）；(3) 依测试环境条件，利用Lowtran7.0计算大气透射率τ，若为室内，令τ＝1；(4) 设置热像仪，使ε＝1，测出T' obj ，得W' obj ，并记录热像仪计算所得大气透射率τ' ；(5) 依(1)～(4)步骤结果计算发射率ε；(6) 验证发射率ε的准确性。将热像仪发射率置为计算所得的发射率ε，比较用热像仪和接触测量法测试目标温度的误差。

2 实验过程

2.1 整体装置结构图

材料 T obj /℃ T atm (Tamb )/℃

T' obj /℃ 2.3 测试结果

表1 8种不同材料的室内测试结果

A 40.0 18.0 21.9 B 40.0 18.0 23.0 C 25.0 18.0 24.5 D 32.0 18.0 31.7 E 25.0 18.0 24.8 F 25.0 18.0 24.4 G 25.0 18.0 24.5 H 40.0 18.0 36.9 A －不锈钢（抛光）；B －铸铁（抛光）；C －混凝土；D －皮肤；E －布料（黑色）；F －土壤（干燥）；G －红砖（普通）；H －木材（松木）。

表2 8种不同材料的室外测试结果

材料

T obj /℃ T atm (Tamb )/℃

T' obj /℃ A 40.0 16.0 19.9 B 40.0 16.0 21.5 C 25.0 16.0 24.5 D 32.0 16.0 31.7 E 25.0 16.0 24.8 F 25.0 16.0 24.5 G 25.0 16.0 24.7 H 40.0 16.0 36.7 测量中，当被测目标温度大于环境温度3℃ 时，其测量结果更准确，但要确定被测目标能否恒温加热。便于加热的目标，可在不同的气温下经多次测量得到平均结果。表1为室内环境测试结果，表2为室外测试结果，波谱范围均为7.5～13µm。

将热像仪的发射率设置为与表1中各种材料发射率相同的值，得出室内环境下用热像仪和接触测量法测试目标温度的对比数据，如表3。室外测试时环境条件：晴、无云、微风，时间14:00、距离

100m 、能见度等级8、气温16℃，湿度40%。

将热像仪的发射率设置为与表2中各种材料发射率相同的值，得出室外环境下用热像仪和接触测量法测试目标温度的对比数据，如表4。

表3 室内环境下2种方法测量目标温度对比

材料 接触测量/℃ 热像仪测量/℃

A 40.040.2

B 40.039.8

C 25.025.0

D 32.0 31.9

E 25.0 24.9

F 25.024.9

G 25.024.9

H 40.040.1

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表4 室外环境下2种方法测量目标温度对比

材料 接触测量/℃ 热像仪测量/℃

气透射率的测量计算存在一定误差，待研究。

H 40.039.8

A 40.0 40.3

B 40.0 40.2

C 25.0 25.0

D 32.031.8

E 25.0 24.9

F 25.0 25.1

G 25.025.0

参考文献：

[1] 田裕鹏. Detect and Diagnose With IR Technology [M].

北京: 化学工业出版社, 2006.

[2] 李晓刚, 付冬梅. 红外热像检测与诊断技术[M]. 北京:

中国电力出版社, 2006.

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孙星南, 程促华, 等 译. 北京: 国防工业出版社, 1986. [4] 张幼文. 红外光学工程[M]. 上海: 科学技术出版社,

1981.

[5] R 万兹蒂. 红外技术的实际应用[M]. 张守一, 郭迪中,

唐良晶, 等 译. 北京: 科学出版社, 1981.

[6] Flir Systems. ThermoVision A40M Operator’s Manual

[R]. USA: Flir Systems, 2005.

[7] 丁黎梅, 段利民, 朱春才. 物质发射率的间接测量法[J].

红外技术, 1999, 21 (5): 33-37.

3 结论

从室内和室外的测试数据并验证对比结果可见，所提出的测量物体表面发射率的方法，测量结果令人满意，可在实际中应用。

以上所列物体的发射率仅代表本实验条件的测量数据。其温度误差原因：① 接触式测量固体物体时温度不准确，采用专用测量固体温度探头，存在误差；② 在室外环境下进行实验时，影响大气环境因素较多，且测量数据存在一定误差，因而大

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表2 基于湿度的第2级控制规则 （上接第69页） 只需一台上位机对生产现场的多台

生产设备进行实时、动态管理和控制；⑥ 通过多

种传感器，分别将采集转鼓内的温度、湿度、转速、转向等信号检测并转换成数字信号传送至上位机进行控制运算处理。

（OS 为湿度偏差；OV 为超调）

2 监控软件

2.1 数据库及软件模块

系统采用ACCESS 建立数据库。依挂接的下位机数量建立相应表，每个表中包括皮革类型、温度设置、湿度设置、工作制、正转时间设定、反转时间设定等字段，针对不同的皮革有不同的生产参数值，监控软件依这些参数进行控制。并建立模糊控制算法的表格，以满足控制查表需要。

监控软件采用VB6.0编制，包括数据采集、通讯、控制算法和统计报表打印等模块。

数据采集模块：数据采集由上位发出指令给对应下位机，由下位机完成对数据采集、转换成数字信号并按通讯协议上传给上位机。

对于相应的隶属度函数可选取三角形隶属度函数，对应的模糊控制模型如图2。

图2 系统模糊控制图

3 结论

通过整机系统长时间检测运行证明，本系统可实现对生产现场生产数据的实时采集和控制自动，其操作方便灵活，运行稳定可靠，生产管理人员能通过该系统获得准确的运行情况，对于提高产品品质，提高生产管理水平，具有很强的应用价值。

2.2 模糊控制

系统需控制转鼓运行时间、正反转时间及温度、湿度等变量。前2项可根据用户设定值运行。温度、湿度则采用模糊控制，其控制规则如表1和表2。

参考文献：

[1] 潘永雄. 新编单片机原理与应用[M]. 西安: 西安电子

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[3] 李光飞, 等. 单片机课程设计[M]. 北京: 航空航天大

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[5] 高美珍. ZLG7290在智能仪表面板接口设计中的应用[J].

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表1 基于温度的第一级控制规则

（OS 为温度偏差；OV 为超调）

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