一种用于高反面红外辐射测量的屏蔽方法及装置

摘要

本发明公开了一种用于高反面红外辐射测量的屏蔽方法及装置，可有效保证测量准确度，其中的屏蔽方法包括测量方位和测量设备的选择、设置辐射屏蔽区域的大小、选用并组装适合的屏蔽装置、安装红外辐射测量仪并进行辐射测量、修正屏蔽装置自身辐射对测量结果的影响等步骤。本发明采用开放式的屏蔽辐射的装置，可消除环境辐射对辐射测量的影响，大幅度提升高反面自身红外辐射在红外探测器接受的总辐射中的比例，提升高反面自身辐射的测量精度。

说明书

技术领域

本发明涉及物体表面红外辐射测量技术领域，尤其是涉及一种用于高反面红外辐射测量的屏蔽方法及装置。

背景技术

红外辐射测量时，周围环境的红外辐射是不可忽视的干扰源。非黑体的被测对象总有不同大小的反射能力，环境红外辐射可经被测对象反射后进入红外辐射测量仪。红外辐射测量仪接受的总辐射中，只有一部分来源于被测对象的自身辐射，环境辐射对高反面（红外反射率较高的光滑物体表面）红外辐射测量干扰尤其严重。被测对象的红外反射率较高且温度接近或低于周边环境时，环境辐射在高反面可经反射进入红外辐射测量仪，红外辐射测量仪接受的总辐射可能只有部分甚至一小部分来源于自身辐射。常见的高反面有玻璃、陶瓷、金属、油漆表面、光滑塑料表面等。长期以来，对高反面的红外辐射测量被认为是不准确的，高反面自身的红外辐射测量一直是红外辐射测量中的盲区。

为了降低环境红外辐射对被测对象的反射干扰，人们采用了两种解决方案。第一种是对红外测量平台的周边局部环境进行整体液氮冷却和抽真空，大幅度降低环境自身辐射强度。德国国家计量院的高精度红外标准计量设备和中国计量科学研究院的真空红外温度标准设备（VRTSF），都采整体液氮制冷和真空环境设计，代表了高精度红外辐射测量方面的前沿水平。测试平台的整体液氮制冷和抽真空设计，成本极其高昂、通用性差且难以应用于室外环境，大部分实验平台无法采用此方案。第二种方案是把环境热辐射等效为一个黑体均匀辐射，通过数学修正模型消除反射的环境辐射。实际环境包含各种非均匀环境辐射，此方法无法进行物体的辐射分布测量，只能应用于单点测量且误差较大。

环境辐射对高反面的反射干扰的一个典型例子是高反面的红外成像测温。由于高反面的反射率高、发射率低，表面温度小于或接近环境温度时，红外热像仪测量高反面接受的红外辐射中只有一小部分是表面自身热辐射。高反面一直被视为红外成像测温中的盲区。高反面的红外成像测温目前主要通过表面覆盖涂层、贴胶条等手段，在高反面形成局部漫灰面。红外热像仪测量漫灰面温度来反应此处的温度。涂层或胶条会影响高反面的性能以及原温度分布场，只能测量感兴趣的几个点。一些高反面（例如光学玻璃等）受性能要求限制，难以在其表面覆盖涂层或胶条。直接高精度测量高反面的自身红外辐射强度，是目前在电力巡检、光学元件和光滑物体表面等方面进行温度测量时亟需解决的难题。

发明内容

本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种成本低、通用性强、使用方便且可有效保证测量准确性的用于物体表面红外辐射测量的屏蔽方法，同时本发明还提供了一种用于该方法的屏蔽装置。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于高反面红外辐射测量的屏蔽方法，其包括以下步骤：

步骤1，基于高反面外型和实际测量环境，给出合适的测量方位，即红外辐射测量仪相对高反面的方位和距离；根据高反面的发射率和温度，评估其自身红外辐射强度，选择合适的红外辐射测量仪，保证高反面的自身辐射强度处于测量仪的定标范围内；

步骤2，根据高反面的外形尺寸和测量方位，给出所需的辐射屏蔽区域的形状和大小；辐射屏蔽区域的大小要保证环境的红外辐射不会在高反面经镜面反射进入红外辐射测量仪；

步骤3，根据屏蔽区域的形状和大小，拼接屏蔽装置；屏蔽装置包括底座，以及竖直设置于底座上的冷板；所述冷板围成测量区；所述冷板具有容纳液氮的腔体，该腔体上设置有液氮注入口和泄压口；冷面采用经发黑处理的高导热系数的金属材料制成，冷板的其余表面设置有保温层；冷面具有较高的红外辐射率和红外辐射吸收率，可以抑制环境辐射经冷面和高反面二次反射进入红外辐射测量仪；

步骤4，根据具体的红外辐射测量要求，评估测量时间，选择冷板的液氮和气体注入方式；若测量时间长：选用连续空气注入方式，保证有持续的气体吹向冷面，防止低温冷面引起空气的水蒸气冷凝成冰层；液氮注入方式也采用连续注入方式，防止冷面出现较大的温度变化；若测量时间较短：选用一次性液氮注入方式，采用液氮挥发出的氮气作为冷面的防结霜气体；由于冷面从结霜至冰层需要一段时间，在某些短时测量时，可以不使用防结霜气体；

步骤5，根据设计的测量方位，安装红外辐射测量仪，测量高反面的红外辐射分布；红外辐射测量仪接受的辐射主要由高反面自身红外辐射和冷面在其表面的反射辐射两部分组成；一般情况下，由于冷面温度接近液氮温度，常见高反面的辐射强度约为冷面的百倍以上。高反面充满测量仪视场时，红外辐射测量仪接受的红外辐射可看成高反面自身的红外辐射；

步骤6，高精度红外辐射测量时，需要修正冷面红外辐射对测量的影响，根据高反面与屏蔽装置的具体形状和方位，通过计算辐射学给出冷面在高反面的反射辐射分布，在辐射分布图像中扣除冷面在高反面的反射辐射，进一步提升高反面的辐射测量精度；由于容纳液氮的腔体采用高导热系数金属，冷面的温度分布变化不大，数值计算中可以把冷面温度设为固定值。

一种用于实现如上所述屏蔽方法的装置，其包括底座，以及竖直设置于底座上的冷板；所述冷板围成测量区；所述冷板具有容纳液氮的腔体，该腔体上设置有液氮注入口和泄压口；所述冷板临近测量区的表面称为冷面，冷面采用经发黑处理的高导热系数的金属材料制成，冷板的其余表面设置有保温层。

优选的是，所述底座内设置容纳气体的腔体，该腔体上设置气体注入口；所述底座上设置有沿冷板内侧边缘延伸的狭缝状的气口，用于向冷板的冷面喷射防结霜气体。

优选的是，所述底座由多个底座单元块拼接而成，各底座单元块具有容纳气体的腔体且相互连通。

优选的是，所述冷板由多个冷板单元块拼接而成，各冷板单元块均具有容纳液氮的腔体，且腔体上均设置有液氮注入口和泄压口。

优选的是，所述冷板和底座采用可拆卸连接。

优选的是，所述冷板远离测量区的表面至少竖直设置两个立管，立管内插入可插拔的插杆，所述底座上设置与立管对应的盲孔；所述插杆穿过立管并伸入底座的盲孔，实现冷板与底座的可拆卸连接。

优选的是，所述冷板上腔体的泄压口通过管道与底座上腔体的气体注入口连接。

与现有技术相比，本发明采用开放式的屏蔽环境辐射设计，可大幅度提升高反面自身红外辐射在红外辐射测量仪接受的总辐射中的比例，提升高反面的辐射测量精度。与现有高精度红外测量广泛采用的整体环境液氮制冷和真空技术相比，本发明具有如下优点：

（1）低温、高发射率的冷面不仅减弱了自身红外辐射，还消除了环境辐射经冷面和高反面二次反射进入红外辐射测量仪的影响。结合防结霜设计，实现了抑制环境红外辐射的开放式设计。

（2）相对于目前抑制环境红外辐射领域的整体环境液氮制冷和抽真空技术，本发明采用开放式非真空设计，大幅度降低了屏蔽环境红外辐射的成本和技术难度，降低了各种红外测量实验中进行红外辐射屏蔽的门槛。

（3）屏蔽装置采用的模块化拼接设计，提高了产品的通用性和可移植性，提高了各种红外测量场所应用屏蔽装置的可行性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明使用时的结构示意图。

图2为图1中底座单元块的放大示意图。

图3为图1中冷板单元块的放大示意图。

图4为图3的截面示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种用于高反面红外辐射测量的屏蔽方法，其包括以下步骤：

步骤1，基于高反面外型和实际测量环境，给出合适的测量方位，即红外辐射测量仪相对高反面的方位和距离；根据高反面的发射率和温度，评估其自身红外辐射强度，选择合适的红外辐射测量仪，保证高反面的自身辐射强度处于测量仪的定标范围内；

步骤2，根据高反面的外形尺寸和测量方位，给出所需的辐射屏蔽区域的形状和大小；辐射屏蔽区域的大小要保证环境的红外辐射不会在高反面经镜面反射进入红外辐射测量仪；

步骤3，根据屏蔽区域的形状和大小，拼接屏蔽装置；屏蔽装置包括底座，以及竖直设置于底座上的冷板；所述冷板围成测量区；所述冷板具有容纳液氮的腔体，该腔体上设置有液氮注入口和泄压口；冷面采用经发黑处理的高导热系数的金属材料制成，冷板的其余表面设置有保温层；冷面具有较高的红外辐射率和红外辐射吸收率，可以抑制环境辐射经冷面和高反面二次反射进入红外辐射测量仪；

步骤4，根据具体的红外辐射测量要求，评估测量时间，选择冷板的液氮和气体注入方式；若测量时间长：选用连续空气注入方式，保证有持续的气体吹向冷面，防止低温冷面引起空气的水蒸气冷凝成冰层；液氮注入方式也采用连续注入方式，防止冷面出现较大的温度变化；若测量时间较短：选用一次性液氮注入方式，采用液氮挥发出的氮气作为冷面的防结霜气体；由于冷面从结霜至冰层需要一段时间，在某些短时测量时，可以不使用防结霜气体；

步骤5，根据设计的测量方位，安装红外辐射测量仪，测量高反面的红外辐射分布；红外辐射测量仪接受的辐射主要由高反面自身红外辐射和冷面在其表面的反射辐射两部分组成；一般情况下，由于冷面温度接近液氮温度，常见高反面的辐射强度约为冷面的百倍以上。高反面充满测量仪视场时，红外辐射测量仪接受的红外辐射可看成高反面自身的红外辐射；

步骤6，高精度红外辐射测量时，需要修正冷面红外辐射对测量的影响，根据高反面与屏蔽装置的具体形状和方位，通过计算辐射学给出冷面在高反面的反射辐射分布，在辐射分布图像中扣除冷面在高反面的反射辐射，进一步提升高反面的辐射测量精度；由于容纳液氮的腔体采用高导热系数金属，冷面的温度分布变化不大，数值计算中可以把冷面温度设为固定值。

图1-4所示用于实现上述屏蔽方法的屏蔽装置，图中，10为红外成像测温仪，20为具有高反面的被测物体。本发明的屏蔽装置包括底座1，以及竖直设置于底座1上的冷板2；本实施例的冷板由三块平板构成，三块平板围成测量区；显然，冷板2的还可以为其它适用形状，可根据测量需要进行合理的选用冷板2的形状；所述冷板2具有容纳液氮的腔体，该腔体上设置有液氮注入口21和泄压口22；所述冷板2上腔体临近测量区的表面23称为冷面，冷面采用经发黑处理的高导热系数的金属材料制成，冷板2其余表面24设置有保温层。

其中，所述底座1内设置容纳气体的腔体，该腔体上设置气体注入口11；所述底座1上设置有沿冷板2内侧边缘延伸的狭缝状的气口12，用于向冷板2临近测量区的表面23喷防结霜气体，防结霜气体可以为氧气或氮气。

作为进一步的改进，所述底座1由多个底座单元块拼接而成，各底座单元块具有容纳气体的腔体且相互连通。所述冷板2由多个冷板单元块拼接而成，各冷板单元块均具有容纳液氮的腔体，且腔体上均设置有液氮注入口21和泄压口22。本实施例中的冷板单元块优选采用八块。

其中，所述冷板2远离测量区的表面竖直设置两个立管3，立管3内插入可插拔的插杆4，所述底座1上设置与立管3对应的盲孔13；所述插杆4穿过立管3并伸入底座1的盲孔13，实现冷板2与底座1的可拆卸连接。显然还可以是卡接等常用的可拆卸连接形式。

作为进一步的改进，所述冷板2上腔体的泄压口22通过管道（图中未示出）与底座1上腔体的气体注入口11连接，实现液氮气化后的进一步利用。

组装使用过程如下：

步骤1：根据红外辐射测量的实际要求，计算出所需屏蔽的空间区域，搭建屏蔽装置的底座。基于底座的形状，进行底座单元块的拼装，实现各个底座单元块的内部腔体连通，留出气体注入口。高压气瓶接至底座的注入总接口并注入气体，各个底座单元块的狭缝状的气口可以喷射出紧贴冷面的一层气流。

步骤2：根据辐射屏蔽区域计算，在各个底座单元块上拼装指定高度的插杆。基于安装好的底座和插杆，拼装冷板单元块。各个冷板单元块具有容纳液氮的腔体，实现冷面处于低温状态。冷面具有较高的红外辐射吸收率，冷板背部有固定构建，可通过插杆与底座形成一个整体。

步骤3：冷板拼装完成后，通过多通接头把各个冷板单元块的液氮注入口汇合，引出一个总液氮注入口。采用多通接头把冷板单元块的泄压口汇合，引出一个总泄压口。

步骤4：采用液氮泵和液氮罐，通过总液氮注入口给各个冷板的腔体注入液氮。每个冷板单元块的液氮注入口安装流量控制阀，用于控制流向各个冷板单元块的液氮流速。每个冷板单元块的冷面有不同的热环境边界，例如风速、太阳辐照度、气温等方面的差异，各个冷板单元块的液氮挥发速度会有所不同。通过调节各个冷板单元块的液氮注入流速，可以实现每个冷板单元块腔体内的液氮总量相等，实现各冷板单元块的液氮制冷基本处于稳态。

冷板单元块上容纳液氮的腔体采用高导热系数金属材质，液氮量的起伏变化，引起的冷面温度起伏和温度梯度较小。绝大部分红外辐射测量平台，冷板上冷面的温度越低、红外辐射吸收率越高，辐射屏蔽效果越好。冷板处于液氮制冷的低温状态时，冷面的温度起伏和梯度对辐射屏蔽性能影响较弱。考虑到液氮泵和液氮流量控制阀门的价格较高，液氮注入方式可采用自增压液氮罐替代：自增压液氮罐的液氮输出具有流量调节功能，可以控制总注入口的液氮流速。各个冷板单元块的热环境差异微弱，液氮挥发速度差别不大，实际环境中调节总流速可以保证各个腔体内的液氮量总体处于稳定状态，某些冷板单元块的挥发较慢时，多余的液氮可通过泄压口流出。

步骤5：液氮注入装置启动后，冷面的温度极低，表面空气中的水蒸气会在冷面上凝结成霜。一段时间后，随着结霜量的增多，冷面上逐渐出现冰层。冰层的红外辐射反射率较高，一部分环境辐射会经冰层和高反面二次反射后进入红外辐射测量仪。

冷面直接接触外界空气，冷面温度虽远低于气温，但高于氮气和氧气的熔点温度。底座的狭缝状的气口可以向上喷射氮气或氧气气流形成气刀，气刀冲击冷面并在其表面上方形成具有一定厚度的保护气层。气层可有效抑制水蒸气与低温冷面的接触。氮气、氧气属于对称性分子，分子振动时不引起电偶级矩变化，对红外辐射既不吸收也不发射。低温冷面上只有融点极低的氮气和氧气，避免了冷面结冰现象。如果红外测量平台是开放环境，可只选用氮气或氧气一种气体作为保护气；若平台位于室内封闭环境，则需要氮气、氧气混合气体，且两种气体比例和空气中两者比例相近，保证屏蔽装置可以在室内长期运行。

实际上，除了一些长期红外实验平台，很多红外辐射的测量用时很短。底座上的气口和液氮补给系统等装置的成本高、安装难度大，对于用时较短的红外辐射测量可采用简化版的屏蔽装置。屏蔽装置可简化为不用任何管道，注满液氮后封闭液氮注入口，在泄压口安装泄压阀门即可使用。冷板另五个面均有保温层，冷板的腔体内注满液氮后，可以在一段相对较长的时间内保持冷面处于低温状态。由于测量时间较短，冷面的不会形成冰层。另一种简化装置是把泄压口和空气注入口直接连接，通过液氮挥发的氮气冲刷冷面，抑制冷面的结霜。

常温下，普通玻璃、瓷砖、镀锌板、油漆表面、普通金属表面等各种光滑物体高反面进行红外辐射成像测量时，周边环境在其表面的反射辐射可达高反面自身辐射强度的数倍，红外成像中可以清晰看到环境热源在其表面的反射成像。目前市面上的红外热像仪测温定标下限可达-60℃，可以准确测量发射率为0.15以上常温高反面的辐射强度。大部分高反面辐射强度实际上处于热像仪定标范围内，可以对其红外辐射进行直接测量。环境在其表面的反射辐射干扰，大大削弱了高反面红外辐射测量的可信性。本发明将环境红外辐射的屏蔽区域限定在可经高反面准镜面反射进入红外辐射测量仪的区域，采用低温且发射率较高的冷面屏蔽所有可通过镜面反射进入红外辐射测量仪的红外辐射，大大提高了高反面自身红外辐射在红外辐射测量仪接受的总红外辐射中的比例，有效提升红外辐射测量精度。

本发明通过狭缝状气口喷出紧贴冷面的一定厚度的气刀设计，利用氮气、氧气具有低熔点温度的特性，防止水蒸气在冷面结冰。大部分红外辐射测量，其被测对象与红外辐射测量仪距离较近，测量路径内的空气红外辐射完全可忽略不计。高精度红外测量设备采用的真空设计大幅度提高了设备成本。本发明所用设备相对简单易得，设计加工难度小、成本低，模块化设计拼装方便，可应用于室内、外各种高反面红外辐射的精准测量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。