便携式半球发射率测试仪设计

摘 要：通过合理设计，设计研究了一种便携式半球发射率测试仪。该文着重叙述了测试仪的测试原理、结构组成、测试过程及测量精度分析等。此设计研究对材料半球发射率的测试及新材料的研究有着十分重要的意义。

关键词：半球发射率；辐射计法；隔热涂料；便携式

半球发射率是指热辐射体在半球方向上的辐射出射度与处于相同温度的全辐射体（黑体）的辐射出射度的比值，体现了材料在特定温度下相对黑体的辐射能力。它是材料的一个重要物理性能参数，是研究辐射热传递、衡量材料质量等问题指标之一，有助于新型材料的研究。

针对目前测量接近常温条件下材料半球发射率测试的需求，如建筑隔热涂料和航天器热控涂层等材料测量，根据不同的测量原理可分为量热法、反射率法、辐射计法等。考虑测试需求、便捷方便及仪器的性价比，故采用辐射计法为原理结合相对比较法，设计研制了一种便携式半球发射率测试仪，以实现对接近常温条件下材料的半球发射率参数的便携测量。

1 原理及结构组成

1.1 测试原理

该测试仪采用辐射计法为原理结合相对比较法。辐射计探测器测量高低辐射区温差并输出电压信号，该电压信号与被测样品的半球发射率呈线性关系。通过高、低半球发射率标准板与被测样品输出的电压信号大小相比较，从而得出被测样品的半球发射率数值。

1.2 结构组成

该测试仪由热沉、两套标准板、辐射计探测器、电源适配器等组成，均被收纳于便携防护箱中。

热沉用于试验时放置被测样品和标准板，是用来保证试验过程中标准板与测试样品保持相同、稳定的温度并接近室温，以满足测试条件。设计时采用导热良好的铝散热片并且表面进行氧化黑色处理，满足设计要求。

一套标准板包含高发射率标准板和低发射率标准板各一件，用于测试校准。高发射率标准板采用铝合金并氧化黑色，用于高发射率数值校准。低发射率标准板采用不锈钢并表面抛光，用于低发射率数值校准。为保证测量精度，该测试仪提供完全一致的两套标准板即为A套和B套。其中A套标准板作为测试样品时校准使用，B套用于对A套标准板的定期核查。

辐射计探测器主要由探头壳体、控制显示系统和测量探头等组成。将测量与读数控制显示为一体，无需用线连接，便携方便。

测量探头的设计尤为重要。主要由探头基座、加热器、测温元件和辐射测量片等组成。探头基座采用铝合金制作。加热器采用PTC加热片。将测温元件分别布于辐射测量片的高、低辐射区，构成高低辐射测量区。加热器为探头基座提供辐射温度，通过探头基座表面温度、被测样品表面和高低辐射测量区之间的辐射传导，使高低辐射测量区产生温差。通过对高低辐射测量区测量温差并依据测量原理对数据处理，可得出试样材料的半球发射率。

便携防护箱采用注塑成型。将测试仪组成部件均收纳于便携防护箱中，便于携带并具有减震保护作用。

2 测试过程

1）将热沉放置平台上，实验时将放置高、低发射率标准板位置的热沉表面分别滴2滴纯净水，然后将高、低发射率标准板放置热沉表面。

2）将辐射计探测器依次分别放置在高发射率标准板和低发射率标准板上，待数值稳定，按操作面板相应高发射率校准键和低发射率校准键，完成高、低发射率值校准。

3）取走低发射率标准板，更换被测样品放置热沉表面。辐射计探测器放在被测样品上，待数值稳定后，显示值即为被测样品的半球发射率数值。

3 测量误差分析

误差分析采用与标准样品相比对的方法。利用高发射率标准板数值0.88、低发射率标准板数值0.06作为一套标准板对测试仪进行高低数值校准，计量部门标定过的标准样品数值为0.82（A样）和0.86%（B样）作为被测样品，进行测试仪的误差分析。

经过测试并计算分析，测量示值与计量部门标定数值的误差均在±1%范围以内，并且重复性好，满足测试要求。

4 结论

该文详细叙述了便携式半球发射率测试仪的设计原理、结构和测量误差分析等。该测试仪结构简单、测量简便、携带方便并能直观测出半球发射率数值。对材料半球发射率的测试及新材料的研究，具有重要的作用。

参考文献：

[1] JG/T235-2014.建筑反射隔热涂料[S].北京：中国标准出版社，2014.

[2] ASTM C 1371a-2004.Standard Test Method for Determination of Emittance of Materials Near Room Temperature Using Portable Emissometers[S].美國.美国材料与试验协会（ASTM），2004.

作者简介：冀中祥（1988-），男，河南驻马店人，助理工程师，主要从事机械设计及检测技术研究。