双黑体箱调温水浴比辐射率测定仪及其测定方法

摘要

本发明公开了一种双黑体箱调温水浴比辐射率测定仪及其测定方法，所述测定仪包括两个黑体箱、水浴控制仪（15）、红外测温仪和托盘（20），所述两个黑体箱之间设有中空轴（10）；所述水浴控制仪（15）连有输水管（13），所连输水管（13）从下而上穿过所述中空轴（10），继而与其中一个黑体箱的进出水接口（14）相连，两个黑体箱各含有一个黑体筒，各黑体筒的顶面和底面与其所处温箱的顶面和底面之间在观测孔处密封，密封处有一定厚度，让水通过。所述两个黑体箱和两个黑体筒的顶面和底面上同一位置处均设有直径完全相等的观测圆孔。本发明的测定方法通过改变测定仪调温箱的温度得出多组二元方程组测定比辐射率并获取最佳热源，测量的可靠性高，还能实现黑体定标及室内和室外的测定。

说明书

技术领域

本发明涉及一种定量遥感测定仪及其测定方法，具体而言，本发明涉及一 种多功能热红外遥感比辐射率测定仪及其测定方法。

背景技术

物体表面温度是物体界面分子平均运动的能量值，其主要取决于以下三个 参数：表面出射辐射度、环境辐照度和比辐射率。物体比辐射率表示物体发射 热辐射的能力，地物表面温度的测定在许多科学研究和应用领域具有重要作用， 精确测量比辐射率能获取地表地物的真实温度。现有的比辐射率测量技术主要 通过变换辐射源来求解比辐射率。比如中国发明专利CN1464297公开了一种便 携式比辐射率测定仪及其测定方法，其具有V字型的半封闭腔体，该腔体两个 向上分支的一端通光口上安装一台红外温度测定仪，所述测定仪利用45度天顶 角的天空下行辐射（也可称为天空冷辐射）与室温辐射（即V字型腔体热辐射） 的切换（详见《定量热红外遥感模型及地面实验基础》第3章，张仁华著，2009 年，科学出版社），在两次环境辐照度下构建一个二元方程组计算比辐射率。上 述比辐射率测定仪只能在野外利用天空冷辐射源进行测定；只能得到一种入射 热辐射强度，根据一个二元方程组的关系计算比辐射率，最佳热辐射源强度的 获取需要其动态变化对比辐射率测量精度和稳定度影响的分析数据。

发明内容

为了提高现有比辐射率测定仪的测量精度，本发明提供了一种双黑体箱调 温水浴比辐射率测定仪，利用高于室温的可调式恒温环境和稳定室温环境下的 辐射源交替照射被测物，构建以下二元一次方程组：

M₁=εB+(1-ε)E₁

M₂=εB+(1-ε)E₂

式中ε为比辐射率，通常至少测定出一个比辐射率测定ε₁值，M₁为室温箱， 指冷环境下的目标物出辐射度，M₂为调温箱，指热环境下的目标物出辐射度， E₁为室温箱辐射照度，指冷环境辐射照度，E₂为调温箱辐射照度，指热环境辐 射照度，B为目标物的黑体出辐射度。出辐射度是能量单位，与温度的4次方相 差一个系数，不是同一个概念。但是为了使问题直观，通常用温度来比方。

，以上计算式假设在快速切换环境辐照度时，B没有明显的变化，实践研究 多次证明以上假设成立（详见《定量热红外遥感模型及地面实验基础》第3章， 张仁华著，2009年，科学出版社）。采用本发明的双黑体箱调温水浴比辐射率测 定仪分别获取室温和高于室温的调温箱温度下的M₁、M₂、E₁、E₂的值，计算出 比辐射率ε的值。可以通过变化调温箱的温度，得出多组二元方程组，实现最佳 热辐射源强度的获取。

此外，本发明的双黑体箱调温水浴比辐射率测定仪还具有黑体定标的功能， 即通过将红外测温仪紧密对准无底小倒圆锥来测定圆锥所处水浴的温度，水浴 温度通过调温水箱调节，进而对红外测温仪进行校验。

本发明的一种双黑体箱调温水浴比辐射率测定仪，其包括两个黑体箱、水 浴控制仪15、红外测温仪和托盘20，所述两个黑体箱之间设有中空轴10，两个 黑体箱围绕中空轴10转动以转换位置。两个黑体箱通过中空轴10转动，达到 不改变被测物的位置而能够快速切换被测物的不同环境辐射照度的目的，更适 合到野外测定土壤、植被等不可移动的地物。

所述水浴控制仪15连有输水管13，所连输水管13从下而上穿过所述中空 轴10，继而与其中一个黑体箱的进出水接口14相连，该黑体箱为调温箱2，另 一个黑体箱为室温箱1。上述连接方式能够实现在输水管与调温箱相连的状态 下，仍能使两黑体箱围绕中空轴旋转180度以转换调温箱与室温箱的位置。

所述调温箱2和室温箱1中各含有一个黑体筒，其中位于调温箱2内的为 调温黑体筒5，位于室温箱1内的为室温黑体筒4，各黑体筒的顶面和底面与其 所处温箱的顶面的观测孔和底面的观测孔之间密封，所述黑体筒的外筒壁与其 黑体箱的内周壁形成的槽为黑体箱的水浴槽；

所述调温箱2、室温箱1、调温黑体筒5和室温黑体筒4的顶面和底面上同 一位置处均设有直径完全相等的观测圆孔，所述室温箱1的顶面和底面的观测 圆孔为室温箱观测圆孔7，所述调温箱2的顶面和底面的观测圆孔为调温箱观测 圆孔8。上述结构使所述红外测温仪紧密对准其中一个黑体箱的观测圆孔内时， 其镜头能同时对准同一箱体内各顶面和底面的观测圆孔，以观测到底面观测圆 孔下的托盘上的被测物。

所述两个黑体箱的顶面均设有两个无底倒圆锥3和6，所述圆锥内外壁面喷 涂无光黑体漆，以减少红外测温仪测量水浴温度的误差。

所述调温黑体筒5和室温黑体筒4为有顶面和底面的黑体圆筒，所述顶面 和底面的黑体圆筒筒壁的顶面和底面与其所在黑体箱的顶面和底面在观测孔处 密封连接并有一定厚度，让两个顶面和两个底面之间水能够通过，特别说明， 由于黑体筒顶面是圆拱形的，两个顶面之间有相当距离容纳流动水。

所述室温箱1与调温箱2在同一可调节高度的托架9上，有利于本测定仪 也野外测定，即通过可调托架测定高度随生长周期变化的农作物和草地。

所述托盘20由可移动的三脚架21支撑，该托盘用于放置待测物。所述调 温箱2的顶面由有机玻璃板制成，以便于在实验过程中随时观察箱内变化。

本发明还提供了一种使用前述双黑体箱调温水浴比辐射率测定仪测定比辐 射率的方法，其特征在于包括以下步骤：

A、测量室温，打开水浴控制仪15，将水浴温度设定在室温以上，该水浴 控制仪15以外循环方式通过水泵和输水管13将水泵入调温箱2，以保持调温箱 温度与水浴控制仪中水浴的温度一致。待调温箱2内温度稳定后，将红外测温 仪镜头紧密对准室温箱1顶面的无底倒圆锥3黑体，读出室温箱1温度，即室 温箱1辐射照度E₁；

B、将调温箱2与室温箱1围绕中空轴10旋转180°以转换位置，将红外测 温仪镜头紧密对准调温箱2顶面的无底倒圆锥6黑体，读出调温箱2温度，即 调温箱2辐射照度E₂；

C、将三脚架21上的托盘20中放入待测物，并使待测物对准室温箱1底面 的室温箱观测圆孔7，将红外测温仪镜头同时紧密对准室温箱1顶面和底面的室 温箱观测圆孔7，得出室温箱1的目标物出辐射度M₁；

D、保持托盘20位置不变，将调温箱2与室温箱1围绕中空轴10旋转180° 以转换位置，将红外测温仪同时紧密对准调温箱2顶面和底面的调温箱观测圆 孔8，得出调温箱2的目标物出辐射度M₂；

E、根据上述4次读数构成的方程组，求解出比辐射率测定ε₁值。

上述步骤A~E可以称为测量阶段，即分别以室温箱辐射（冷辐射）和调温 箱辐射（热辐射）为辐射源，测定比辐射率。

在上述步骤A~E中，所述调温箱2的温度至少比所述室温箱1的温度高 13℃。

此外，在所述步骤A之前，还包括校验红外测温仪的步骤，可称为准备阶 段：

将红外测温仪紧密对准室温箱1顶面的无底倒圆锥3，对比红外测温仪显示 的温度与室温温度；

围绕中空轴10转动两个黑体箱以转换两箱的位置，再将红外测温仪紧密对 准调温箱2顶面的无底倒圆锥6，对比红外测温仪显示的温度与水浴控制仪15 的温度；

通过上述对红外测温仪测定温度和室温与水浴温度的对比，对红外测温仪 进行校验。

在上述方法中，在所述步骤E之后，还包括改变调温箱2温度再多次测定 比辐射率的步骤：

不断改变所述调温箱2的温度并保持调温箱2温度比所述室温箱1的温度 高13℃以上，待调温箱2内温度稳定后，重复步骤A~E，求解出对应不同调温 箱2温度的比辐射率测定ε_n值，n≥2，对比不同比辐射率测定值求解出最终值。

本发明的一种双黑体箱调温水浴比辐射率测定仪通过改变调温箱的温度得 出多组二元方程组，测量的比辐射率可靠性高，通过调温箱和室温箱顶的无底 倒圆锥实现黑体定标（即对红外测温仪进行校验）的功能，通过能调节高度的 支架方便室内和室外的测定。

附图说明

图1为双黑体箱调温水浴比辐射率测定仪的俯视图。

图2为双黑体箱调温水浴比辐射率测定仪的侧视图。

附图标记说明：

1-室温箱，2-调温箱，3、6-无底倒圆锥，4-室温黑体筒，5-调温黑体筒，7- 室温箱观测圆孔，8-调温箱观测圆孔，9-托架，10-中空轴，11-双箱转动矩形托 盘高度调节柱，12-双箱转动矩形托盘支撑架，13-输水管，14-进出水接口，15- 水浴控制仪，16-水浴式恒温槽进出水接口，17-水浴控制仪调控显示器，18-水 浴式恒温槽水箱盖，19-红外测温仪支撑杆，20-托盘，21-三脚架，23-水浴控制 仪支撑架，24-排气孔

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本发明。

本发明的一种双黑体箱调温水浴比辐射率测定仪，其包括两个黑体箱、水 浴控制仪15、红外测温仪和托盘20，所述两个黑体箱之间设有中空轴10，两个 黑体箱围绕中空轴10转动以转换位置。

所述水浴控制仪15连有输水管13，所连输水管13从下而上穿过所述中空 轴10，继而与其中一个黑体箱的进出水接口14相连，该黑体箱为调温箱2，另 一个黑体箱为室温箱1。

所述调温箱2和室温箱1中各含有一个黑体筒，其中位于调温箱2内的为 调温黑体筒5，位于室温箱1内的为室温黑体筒4，各黑体筒的顶面和底面与其 所处温箱的顶面和底面之间在观测孔处密封，所述黑体筒的外筒壁与其黑体箱 的内周壁形成的槽为黑体箱的水浴槽；

所述调温箱2、室温箱1、调温黑体筒5和室温黑体筒4的顶面和底面上同 一位置处均设有直径完全相等的观测圆孔，所述室温箱1的顶面和底面的观测 圆孔为室温箱观测圆孔7，所述调温箱2的顶面和底面的观测圆孔为调温箱观测 圆孔8。

所述两个黑体箱的顶面均设有两个无底倒圆锥3和6，所述圆锥内外壁面喷 涂无光黑体漆，以减少红外测温仪测量水浴温度的误差。

所述调温黑体筒5和室温黑体筒4为有顶面和底面的黑体圆筒，所述有顶 面和底面的黑体圆筒筒壁的顶面和底面与其所在黑体箱的顶面和底面在观测孔 处密封连接。

所述室温箱1与调温箱2在同一可调节高度的托架9上，所述托盘20由可 移动的三脚架21支撑，所述调温箱2的顶面由有机玻璃板制成。

使用上述双黑体箱调温水浴比辐射率测定仪测定比辐射率，具体包括以下 步骤：

A、测量室温，打开水浴控制仪15，将水浴温度设定在室温以上，所述调 温箱2的温度至少比所述室温箱1的温度高13℃。该水浴控制仪15以外循环方 式通过水泵和输水管13将水泵入调温箱2，以保持调温箱温度与水浴控制仪中 水浴的温度一致。待调温箱2内温度稳定后，将红外测温仪镜头紧密对准室温 箱1顶面的无底倒圆锥3黑体，读出室温箱1温度，即室温箱1辐射照度E₁；

B、将调温箱2与室温箱1围绕中空轴10旋转180°以转换位置，将红外测 温仪镜头紧密对准调温箱2顶面的无底倒圆锥6黑体，读出调温箱2温度，即 调温箱2辐射照度E₂；

C、将三脚架21上的托盘20中放入待测物，并使待测物对准室温箱1底面 的室温箱观测圆孔7，将红外测温仪镜头同时紧密对准室温箱1顶面和底面的室 温箱观测圆孔7，得出室温箱1的目标物出辐射度M₁；

D、保持托盘20位置不变，将调温箱2与室温箱1围绕中空轴10旋转180° 以转换位置，将红外测温仪同时紧密对准调温箱2顶面和底面的调温箱观测圆 孔8，得出调温箱2的目标物出辐射度M₂；

E、根据上述4次读数构成的方程组，求解出比辐射率测定ε₁值。

上述步骤A~E可以称为测量阶段，即分别以室温箱辐射（冷辐射）和调温 箱辐射（热辐射）为辐射源，测定比辐射率。

此外，在所述步骤A之前，还包括校验红外测温仪的步骤，可称为准备阶 段：

将红外测温仪紧密对准室温箱1顶面的无底倒圆锥3，对比红外测温仪显示 的温度与室温温度；

围绕中空轴10转动两个黑体箱以转换两箱的位置，再将红外测温仪紧密对 准调温箱2顶面的无底倒圆锥6，对比红外测温仪显示的温度与水浴控制仪15 的温度；

通过上述对红外测温仪测定温度和室温与水浴温度的对比，对红外测温仪 进行校验。

在上述方法中，在所述步骤E之后，还包括改变调温箱2温度再多次测定 比辐射率的步骤：

不断改变所述调温箱2的温度并保持调温箱2温度比所述室温箱1的温度 高13℃以上，待调温箱2内温度稳定后，重复步骤A~E，求解出对应不同调温 箱2温度的比辐射率测定ε_n值，n≥2，对比不同比辐射率测定值求解出最终值。