100℃~500℃中温目标发射率在线测试系统研究

摘要

发射率是表征实际物体热辐射规律的重要参数，根据调研，目前国内在发射率在线测量领域的研究较少，尤其是中高温目标长时在线测量方面。和实验室测量不同，发射率在线测量要求系统具有耐高温、低延迟、抗震动、抗电磁干扰等一系列特性。本文依托实验室在发射率在线测量领域数十年的研究经验，提出一种针对中温目标的发射率在线测量系统研制方法，测量物体2~16um的波段发射率，温度范围为100~500℃，测量不确定度最大为3.4%。要研制这样一套系统所面临的问题一是长时在线时传感器受被测目标高温干扰而容易发生漂移，二是测量系统严重非线性而且对环境温度变化非常敏感。本文通过对传感器响应特性进行详细的分析和计算，提出采用外部液体强迫冷却和内部加热的双重控温方式来解决第一个难题，使测量元件在任何外界环境下都可以维持较低的工作温度，同时在抵御目标辐射方面采用了特殊的机械结构设计。针对第二个难题，本文设计了一种线性化电路，使得系统在传感器工作温度范围内（20±3℃）呈良好的线性关系，并且将环境温度的影响降低到0.027V/℃。 以往的发射率测试系统很少对辐射传播模型做出定量的研究，从而引入较大的误差，本文从几何光学出发对系统内外的辐射传播模型做了详细的分析和计算，包括空气、准直管、光阑、锗镜头等的影响，最终推导出更为精确的发射率计算公式。 本文最后使用参考黑体炉对系统进行了标定和指数拟合，拟合误差在±0.02之内，使用黑体等效法和标准样板对系统进行了验证，验证误差在±0.06之内，并对4块金属试样进行了测试，结果表明金属随着氧化程度增加发射率增加，氧化不均匀且含有杂质的部位发射率较纯金属氧化物低。通过测量和计算发现，系统的不确定度主要来自每次测量光阑开度的不一致和试样温度的不均匀，这是后续改进的方向之一。

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