基于RM-6A红外热敏电阻的发射率在线测量系统研究

朱志星,叶 林，任宏宇,范博龙

(华中科技大学人工智能与自动化学院，湖北武汉 430074)

0 引言

发射率是表征物体辐射能力的热物性参数[1]。发射率指的是实际物体的辐射力与同温度下黑体辐射力之比，表征实际物体辐射能力接近黑体辐射的程度[2]。发射率的测量方法众多，大致可以分为能量法、反射率法、量热法以及多波长法[3-8]。

量热法简单准确，并且有广泛的应用，但是对于被测物体表面温度分布不均时其计算得到的发射率误差较大[9]；多波长法可以同时测量被测对象的波长和温度，但是其测量精度易受到假设的波长与发射率模型的影响[2]，相关的理论不够完善，测量精度不能得到很好的保证；反射率法可以有效用于在线测量，但是其结构较为复杂，需要积分球分射计以及参考辐射源[10-14]，无法克服工业现场强震动影响；上述各种方法均有其局限性，本文选择了结构较为简单，便于实现在线测量的能量法作为发射率测量原理。

本文基于RM-6A型红外热敏电阻采用能量法的测量原理实现了发射率测量系统，解决了热敏电阻温度漂移问题，拓宽了系统的工作温度范围。改进了探测器设计，大幅度降低了强背景辐射对系统测量精度的影响。同时利用黑体等效法和傅里叶光谱仪对照测量实验验证了系统有较好的测量精度。

1 测量原理

发射率指的是实际物体的辐射力与同温度下黑体辐射力之比，其表示式为

(1)

假设传感器敏感元件接收到外界的辐射为E，同时敏感元对于热辐射的吸收系数为σ，则敏感元吸收的热辐射能量为σE，敏感元件的比热容为c，质量为m，则[15]：

σE=cmΔT

(2)

由式(2)可知，能量E与温度变化量ΔT成正比。由于核心传感器其R-T特性具有负温度系数，随着温度的降低其自身阻值会不断增大，R-T特性曲线图如图1所示。前置电路为桥式电路。根据桥式测量电路原理，探测器单元在接受目标辐射前：

(3)

式中：RC为桥臂电阻；Rfs为传感器敏感元电阻；R1为上桥臂电阻；K为测量电路的放大倍数。

图1 传感器R-T曲线

(4)

(5)

(6)

由于Rfs基值为MΩ级别，当热敏电阻接受辐射时，其电阻变化量较小(Rfs>>ΔRfs),所以：

(7)

从式(7)可以看出，ΔVout与Rfs成反比，与ΔRfs成正比。

当核心传感器接受辐射时，传感器会产生温升。它吸收的能量Q可表示为

Q=cmΔT

(8)

如图1所示，传感器的阻值会随着温度的升高而降低。不妨设主元电阻与温度T的函数关系为

Rfs=f(T)

(9)

假设在测量开始前，传感器的初始温度为T0，则当传感器敏感元接受外界辐射信号时，其自身会产生 ΔT的温升，并且有下式：

ΔRfs=f′(T0)ΔT

(10)

代入式(6)有：

(11)

由式(7)、式(10)可以得到：

(12)

从式(11)及主元电阻的温度特性曲线可以看出，在测量之前初始温度T0确定时，在此状态下Q正比于ΔVout。

Q=EtSβα

(13)

在测量时，电机以1 Hz恒定的频率旋转，因此测量时间固定。在探测器安装位置固定，传感器确定时，S、β、α等参数均确定并且维持不变，代入式(12)有：

(14)

由发射率的定义式有：

(15)

实验室采用面源黑体炉作为基准源，其发射率记为εb(约为0.95)，辐射能量记为Eb，则：

(16)

式中：Vouto为在固定距离下，探测器对目标的响应；Voutb为相同距离下，探测器对面源黑体炉的响应；εb为相同温度以及相同波段下面源黑体炉的发射率数值。

系统正式测试前，需要利用面源黑体炉标定探测器建立面源黑体炉温度与Voutb离线数据库。在实际测量时，根据热电偶接触式测得目标真实温度查离线数据库得到Voutb，然后根据实时测得对象的Vouto数据计算发射率。

2 系统设计

2.1 RM-6A红外热敏电阻

系统采用的核心传感器为RM-6A型红外热敏电阻型传感器。该型传感器接收外界红外辐射能量时，其自身阻值会发生1～3 kΩ的变化。RM-6A热敏电阻传感器前端为特制的锗镜头(凸镜头)，能够让尽量多的法线方向的平行入射的辐射信号对图2(a)传感器敏感元产生响应，减少了非法线方向的入射辐射作用于传感器敏感元从而减小测量误差。传感器内部敏感元件对于2～16 μm波段的辐射能量有近似常数的响应增益，电阻上方涂有高发射率的发黑涂层使得传感器对于外界的辐射能量的吸收率高达95%以上。传感器每次接受外界辐射都会产生图2(c)的响应，根据官方的手册上的数据阶跃响应的上升时间大概1.8～3 ms，足以满足实际的测试需求。

图2 RM-6A红外热敏电阻

2.2 探测器设计

系统的测量探测器的机械结构经过了多次设计加工、实验测试多次得以成型，如图3所示。为了解决工业现场强背景辐射干扰问题，探头最外侧设置了热屏，采用铝合金和不锈钢。热屏抵御外部周边辐射对传感器的影响。探头内部设置有冷却水回路保证传感器接受待测目标的红外辐射而自身温度不会发生较大的上升。为了准确获取传感器的辐射信号，同时维持其工作点稳定。传感器前端安装由直流电机驱动的带有对称60°开口的叶片，直流电机以1 Hz的固定频率旋转，从而实现了辐射信号的调制。

图3 探测器结构示意图

探测器前端设置有带螺纹的准直管，准直管内壁通循环流动的低温水以降低准直管温度，外壁涂有高发射率材料吸收杂散辐射。准直管的设计一方面用来消除背景辐射，另一方面减小辐射源的测量面积。理论上有效测量面越小，测量精度越高，但是测量面越小其发出的辐射功率也越小，每个传感器都有最小可分辨功率，如果小于该值则无法测量[14]。图4为准直管结构示意图，图中e1为杂散背景辐射，e2为测量窗口外辐射，e3为测量有效辐射可以直接作用于传感器。由图4可以看出e1及e2为主要的测量误差来源,e1和e2中的部分辐射能量经过反射会偏离核心传感器。另有部分能量，设为ψ经过多次(设为n次)反射最终会进入传感器，由于准直管外壁涂有高发射率材料(ε>0.9)，最终进入传感器的能量为ψ(1-ε)n，所以当准直管长度够长，最终背景辐射的影响便可以忽略。经过大量理论研究和实验，我们选择准直管长度为50 mm，内径为8 mm。由于大部分背景辐射能量会被准直管外壁吸收，采用低温循环水冷可以使准直管保持低温环境，进一步降低测量误差。

图4 准直管结构示意图

2.3 硬件电路及测控软件设计

2.3.1 硬件电路设计

硬件电路主要完成传感器的温度补偿、信号调理、数据采集以及与上位机通讯等工作。桥式电路的输出端为mV级的微弱信号，如图5所示。经由四阶巴特沃斯低通滤波器过滤掉了工频干扰以及高频噪声，然后经由10 000倍左右的线性放大最终得到1 Hz的方波信号。从图1可以看到，传感器阻值随着自身温度变化会出现较大的变化，从室温下的约200 K变化到-15 ℃下最大为1 400 K，为了使系统能够工作在较大的环境温度范围(-5～25 ℃)下，同时保证输出不至于出现饱和，桥臂另一端的阻值必须实时跟踪补偿。电子系统采用电磁继电器短接电阻串接I2C驱动程控电阻的方式，利用ADC采集的输出电压采用PID算法反馈调节实现自动温度补偿，从而维持系统输出基值在合理的电压范围。

图5 硬件电路结构图

2.3.2 测控上位机软件设计

整套发射率测量系统由4套探测器组成，基于Modbus协议进行通讯。上位机软件每隔1 s轮询每个探测器。为了保证数据获取以及处理的实时性，上位机软件采用多线程方式。分为数据通讯线程、界面曲线刷新线程、数据处理保存线程等。同时，设置了系统开机故障检测功能，以及使用日志等功能，保证系统可以可靠地运行。上位机软件是基于QT开源界面库实现。系统的核心探头在使用之前需要利用标准面源黑体炉进行标定。标定完成之后，将标定数据保存至PC。在上位机软件收到下位机数据之后，利用滑窗滤波的方式对测量辐射信号数据进行平滑处理，处理得到辐射数据之后利用标定数据和推导的计算公式就能实时计算并显示待测对象的发射率数据。

3 发射率测量实验研究

3.1 测量实验原理

基于上述发射率测量原理，搭建了发射率测量实验系统。待测样板置于加热炉上，并在待测实验样板上焊接2路热电偶，接触式测量样板真实温度，将探测器置于样板上方适当距离处，连接数据采集系统以及上位机系统软件，另外搭建好光谱仪测试光通路，两者同时测量。测量原理实验框图如图6所示。

图6 测量实验原理图

3.2 系统测量准确性验证

3.2.1 样板测试实验验证

为了验证系统测量准确性，选取了若干块不同材料的金属样板，利用研制的发射率测量系统测量金属样板在不同温度下的发射率。由于样板的发射率数据会随着样板的温度以及表面状态不同而发生改变，因此为了准确验证系统的测量精度，在系统测量的同时也利用2～25 μm的傅里叶光谱仪同时对待测样板进行测试。

利用傅里叶红外光谱仪测试样板发射率时，参考了文献[16]的测试方法。首先利用光谱仪测得黑体炉在不同温度点的光谱数据，基于能量法计算样板的光谱发射率，最终积分得到了样板在2～16 μm波段内的发射率。

图7为轻微氧化的金属铬的发射率测量曲线，从测量数据曲线可以看出该金属的发射率测量数值随着金属的温度上升而缓慢变大，这基本符合金属发射率随温度变化的一般特性。同时，利用傅里叶光谱仪的对照实验看出，两者测量的误差不超过0.03，证明了本系统测量发射率的准确性。

图7 金属铬发射率对比图

图8为经过高温氧化后的不锈钢的发射率测试曲线。该材料发射率较高，达到0.8左右。从曲线上可以看出，本文所研制系统与傅里叶光谱仪测量同一材料时，所测的发射率数据误差不超过0.05，测量数据随着温度缓慢上升的趋势也符合金属发射率随温度变化的一般规律。

图8 氧化后的不锈钢发射率对照图

3.2.2 黑体等效法验证

验证系统发射率测量准确性一般使用标准样板，但是标准样板保存困难，而且在进行一次校准实验之后其发射率会发生改变将不可再次使用。于是，我们在实际校准时采用黑体等效法，黑体等效法是通过黑体炉来间接验证测试系统正确性的一种方法，可以代替标准样板。其原理是辐射量保持不变，某块发射率为ε1的标准样板在温度为T1时发出的辐射能量等于面源黑体炉在Tb下发出的辐射能量(面源黑体炉发射率约为0.95且较为稳定)。

(17)

(18)

式中：ε1为面源黑体炉发射率；c1、c2为第一、第二辐射常数；T1、Tb为面源黑体炉的2个温度点。

设定Tb=200、400 ℃，根据黑体等效法计算结果如表1、表2所示。

表1 Tb=200 ℃时黑体等效法验证结果

表2 Tb=400 ℃时黑体等效法验证结果

从表1和表2可以看出，温度较低时系统发射率测量误差最大为0.055，温度较高时发射率测量会更加准确，误差更小。总体来说，系统测量误差均小于0.06。

4 结论

本文介绍了基于RM-6A红外热敏电阻实现的发射率测量系统。该型发射率测试系统可以对工业现场目标进行在线的发射率测试。探测器的准直管以及循环水冷设计可以有效地减弱工业现场强背景辐射对传感器测量精度的影响，反馈式程控电阻温度补偿将传感器的工作温度范围拓宽到-5～25 ℃。利用发射率测试系统和傅里叶红外光谱仪进行大量样板对比测试实验，验证了系统的发射率测量误差低于0.06，有较好的测量精度。