红外热像仪与表面热电偶测量发射率的匹配法

李文军，徐永达，郑永军

（中国计量大学计量测试工程学院，浙江 杭州 310018）

红外热像仪与表面热电偶测量发射率的匹配法

李文军，徐永达，郑永军

（中国计量大学计量测试工程学院，浙江 杭州 310018）

使用红外热像仪测量物体温度时，需要知道被测物体的发射率。为测量物体的发射率，提出红外热像仪和表面热电偶组合的匹配法。建立匹配法测量发射率的实验装置，使用该实验装置，利用恒温源对测试样品进行加热，在近环境温度范围内对两种测试样品3M Scotch Super 88型绝缘胶带和3M 1721型绝缘胶带的发射率进行测量。实验结果表明，测量值与文献值一致。该文给出两种样品在不同温度区间的具体发射率值，该发射率值可用做红外热像仪工程测温中的参考值。

红外热像仪；表面热电偶；发射率；匹配法

0 引 言

红外热像仪在工程测试领域得到了越来越广泛的应用。当用红外热像仪测量物体温度时，需要知道物体的发射率[1-4]。侯成刚等[5]根据红外探测器对物体辐射的输出响应，导出了物体温度、环境温度、物体发射率和测量精度之间的关系，测定了发射率。美国材料与试验协会 （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20min，从250℃冷却到50℃的时间为70min。

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。

图1 ACSⅡ-2000温度标准源

图2 NR-81532B型表面热电偶

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10min，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

图3 加热器设定温度T0为50℃时样品的热图像

图4 加热器设定温度T0为100℃时样品的热图像

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。

表1 3M Scotch Super 88型绝缘胶带的发射率

表2 3M 1712型绝缘胶带的发射率

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。

[1]MICHAEL V，KLAUS P M.Infrared thermal imaging[M].Germany： WILEY-VCH Verlag GmbH&Co.KGaA，2010：127-145.

[2]JEAN P M， MARIO M， LAURENT I， et al.Emissivity measurements of building and civil engineering materials：A new device for measuring emissivity[J].Int J Thermophys，2014，35（9）：1817-1831.

[3]李希明，李文军，顾喆涵，等.在中低温条件下环境辐射对光谱发射率测量的影响[J].计量学报，2014，35（1）：10-12.

[4]唐麟，刘琳，苏君红.热成像系统空间分辨率退化建模及仿真[J].国外电子测量技术，2014，33（9）：21-27.

[5]侯成刚，张广明，赵明涛，等.用红外热成像技术精确测定物体发射率[J].红外与毫米波学报，1997，16（3）：193-198.

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[7]杨立，寇蔚，刘慧开，等.热像仪测量物体表面辐射率及误差分析[J].激光与红外，2002，32（1）：43-45.

[8]黄龙祥，沈湘衡，宋江涛.基于热像仪的物体波段发射率的测量[J].激光与红外，2009，39（2）：159-161.

[9]徐军，陈益松，甄慧英，等.基于红外热像技术的织物红外发射率测量方法[J].纺织学报，2009，30（9）：42-44.

[10]白敬晨，于庆波，胡贤忠，等.基于红外热像仪的物体表面发射率测量方法[J].东北大学学报（自然科学版），2013，34（12）：1747-1750.

[11]刘华，艾青，夏新林，等.毫米级非均匀粗糙表面红外发射率测量[J].工程热物理学报，2013，34（2）：317-319.

[12]李园园，屈惠明，刘文俊.基于环境辐射的现场目标发射率测量方法研究[J].激光与红外，2013，43（3）：272-275.

[13]刘连伟，杨淼淼，樊宏杰，等.一种表面发射率的测量方法研究[J].激光与红外，2014，44（2）：152-157.

[14]LÓPEZ G， BASTERRA L A， ACUÑA L， et al.Determination of the emissivity of wood for inspection by infrared thermography[J].J Nondestruct Eval，2013，32（2）：172-176.

（编辑：刘杨）

Match method of emissivity measurement based on infrared thermal imager and surface thermometer

LI Wenjun， XU Yongda， ZHENG Yongjun
（College of Metrology and Measurement Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China）

The temperature measurement with an infrared thermal imager requires the emissivity values of the object.A match method of infrared thermal imager and surface thermometer is given for the measurement of emissivity.The experiment device based on match method is established.With the device，two kinds of insulated rubber tape 3M Scotch Super 88 type and 3M 1721 are heated by a constanttemperature source close to the environmentaltemperature and their emissivity is measured.The experiment results show that measured values are consistent with the literature value.Specific emissivity values of samples are given in different temperature range.The emissivity values can be used as reference data in engineering measurement of infrared thermal imager.

infrared thermal imager； surface thermometer； emissivity； match method

A

1674-5124（2017）06-0012-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.06.003

2016-11-21；

2016-12-18

国家质量监督检验检疫总局质检公益性行业科研专项（201410133）

李文军（1970-），男，山西忻州市人，副教授，硕士，研究方向为热工参数自动检测与控制。