吉珊珊， 葛俊锋， 叶　林， 闫泽豪， 贾诚安

(华中科技大学 自动化学院，湖北 武汉 430074)

基于MLX90614红外温度计的发射率在线测量系统*

吉珊珊， 葛俊锋， 叶林， 闫泽豪， 贾诚安

(华中科技大学 自动化学院，湖北 武汉 430074)

摘要:为了实现对物体表面发射率的快速在线测量，设计了一种基于MLX90614红外温度计的发射率在线测量系统，并通过黑体等效法验证了系统的准确度，系统的测量精度可达±0.05。同时，对影响试验结果的因素进行了实验验证，证明距离与传感器冷端温度对测量结果的影响不明显。对于标准样板的发射率测量实验也表明：该系统能满足在线测量发射率的要求。

关键词：发射率； 在线测量； 黑体等效法； MLX90614

0引言

发射率是表征物质表面辐射本领的物理量[1]。在非接触测温技术中，物体表面发射率未知或经常变化一直是影响这种方法测量精度的重要因素，因此，获得目标物体的准确发射率对辐射测温技术和目标物热辐射特性的研究具有重要意义。目前，测量物体发射率的方法主要有量热法、反射率法、辐射能量法和多波长法等[2～4]。其中，量热法只能对物体的全光谱发射率进行测量[5]；反射法和辐射能量法可测量物体的光谱发射率，但是结构复杂，需要反射计腔或者参考黑体等[6]；多波长法能测量物体的波段发射率，然而，该方法的理论还不是很完善，测量精度不高，适用性较差。这几种方法是都有一定的局限性，不便于在线测量或便携式测量[7]。

近年来，也涌现出了几种比较新型的发射率在线测量方法，包括哈尔滨工业大学的宋扬、戴景民等人[8]研制的前置反射器发射率在线测量装置，华中科技大学的陈斌[9]研究开发了双罩法发射率在线测量系统以及华中科技大学的江先军[10]研究的单罩比值法在线测量发射率等，这些方法都较高精度地实现了发射率在线测量。但是这些测量系统结构都比较复杂，不便于安装。

本文基于辐射能量法，提出一种新的利用MLX90614在线测量物体发射率的方法，并以黑体等效法对系统的稳定性与可靠性进行验证，然后对标准样片表面发射率进行在线测量实验，结果证明：该方法测量发射率可靠性高，可达到较高的精度。

1发射率

1.1发射率测量原理

单位时间内单位表面积向其上的半球空间的所有方向辐射出去的全部波长范围内的能力称为辐射力，记为E。辐射力是用来定量地表述单位黑体表面在一定温服下向外界辐射能量的多少。黑体的辐射力与热力学温度的关系由斯忒藩—玻耳兹曼定律[11]所规定

(1)

该式即为辐射四次方定律。

而实际物体不能完全吸收投入到其表面上的辐射能量，所以,实际物体的辐射力E总是小于同温度下黑体的辐射力Eb，两者的比值称为实际物体的发射率或黑度[12]，记为ε

(2)

故实际物体的辐射力可以表示成为

(3)

而在某个特定的波段范围内，黑体的辐射能Eb(λ1～λ2)可以表示为

Eb(λ1～λ2)=k1Eb

(4)

物体的辐射能E(λ1～λ2)可以表示为

E(λ1～λ2)=k2E

(5)

其中，根据黑体辐射函数[13]，可得k1=f(λ1T)-f(λ2T)，k2=f(λ1T)-f(λ2T)，即k1=k2。因此，某一波段内实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力的比值为ε

(6)

而根据辐射能量法，测得某一摄氏温度下的目标物的辐射能量和同等摄氏温度下已知发射率或黑体的辐射能量，再通过比值即可得到目标物的发射率为

(7)

1.2MLX90614红外温度计

MLX90614是由Melexis公司生产的一种红外温度计，波长范围为5.5～14μm。它是由红外热电堆传感器MLX81101和信号处理专用芯片MLX90302共同集成，可实现高精度和高分辨率的温度采集，测量辨析度可达0.02 ℃。MLX90614内部有冷端与热端，其中，热端接收目标物体的辐射能量，冷端接收环境的辐射能量，所以，热电堆中传感器的输出信号由二者共同决定，且可测量温度范围为环境温度-40～125 ℃，物体温度-70～382.19 ℃。

MLX90614通过IR传感器测量目标温度，并由内部状态机控制物体温度和环境温度的测量和计算，进行温度处理后，可以将结果通过二线SMBus兼容协议接口或10位PWM输出模式实现数据传输。热电堆测得的目标温度记为TO。

1.3公式推导

(8)

式中Er和Erb为热电堆测得的被测物体和黑体的总的辐射力，Eu和Eub为热电堆测得的被测物体和黑体所处环境的辐射力。再根据式(7)，可得目标物的发射率通过测得的温度值进行计算的公式为

(9)

2黑体等效法

一般情况下是以测量标准样板发射率来衡量系统的准确性，但是标准样本在使用过程中容易受到环境影响(如高温、油污、氧化等)而改变其发射率，即标准样板的发射率并不是一个定值，所以，测量系统并不能很好地检验本身的测量精度。本文提出以黑体等效法代替传统的标准样板来检验系统的准确性和精度。

2.1黑体等效法的原理

黑体等效法是将黑体高温下的辐射量利用降低其温度来得到相同高温下低发射率时的等同辐射量，这样就可以得到不同发射率的辐射量，等同于不同发射率的标准样板。

(T2+273.15)4×0.95=(T1+273.15)4ε1

(10)

则T2和T1满足关系式

(11)

2.2试验分析

(12)

表1　100 ℃下各发射率对应温度

对于表1中的各个温度点，利用测量系统对面源进行测量，探头与面源中心距离为50mm，可得到相对应的实际温度，通过式(12)计算实际发射率值，数据如表2所示。

表2　各温度值下对应的发射率值

300 ℃下各发射率对应的面源温度如表3。

表3　300 ℃下各发射率对应温度值

同样地，对表3中各个温度点进行测量，得到的测量值如表4所示。

表4　各温度值下对应的发射率值

根据表中测得结果，系统实际测得的发射率与理论计算出的发射率最大偏差为0.03，系统精度可满足±0.05的要求，所以,系统稳定性与准确性非常好。

2.3误差分析

试验过程中，影响测量结果的因素有很多，其中最需要考虑的是距离和传感器冷端温度对测量结果的影响。

对于非接触测温中，距离对测量结果的影响很重要。为了研究探头与目标物表面的距离对测量结果的影响，通过黑体等效法，在不同距离下做了相同试验，试验结果如表5、表6所示。

表5　距离对发射率测量结果的影响(T=100 ℃)

表6　距离对发射率测量结果的影响(T=300 ℃)

由表5和表6数据可得:距离对测量结果的影响不大，基本保持一致，发射率最大误差值为0.01，所以,可以认为微小距离的变化对发射率测量结果没有影响。

此外，也做了传感器冷端温度对测量结果的影响试验。由于MLX90614内部自带温度补偿，所以,在测量过程中，其冷端温度变化最大不超过1 ℃，因而冷端温度的升高对发射率的影响并不大，误差保持在±0.05以内，满足测量要求。

3发射率测量试验

3.1测量原理

本文在测量目标物的发射率时，在目标物表面焊接一个热电偶，以MLX90614为核心的探头在目标物的垂直上方40mm处，且其在目标物上的投射光斑距离热电偶很近，但并不重合，测量系统的结构图如图1。其中，白板炉加热被测样板，被测样板可达到的温度范围为0～300 ℃。

图1　测量系统结构图Fig 1　Structure chart of measurement system

3.2测量试验

测量系统以标准样板作为被测对象进行了测量试验。将两种不同的标准样板(粗铜、光铜)放置于白板加热器上，对其逐渐加温，测量不同温度下的发射率值，由于标准样板的材质不同，导热系数由此而不同，所以,每个标准样板的实际表面温度会有差异。测量结果如表7、表8所示。

表7　粗铜发射率测量值

表8　光铜发射率测量值

已知粗糙铜板的发射率为0.5，光滑铜板的发射率为0.45。由表7、表8可知，测量结果较为稳定，发射率测量值误差最大为0.05，符合系统±0.05的测量精度，并且光滑铜板的发射率测量值随着温度的升高有上升的趋势，符合发射率变化规律。

4结论

本文提出了利用MLX90614红外温度计在线测量物体发射率的方法，并推导出计算公式；通过黑体等效法验证了该方法的准确性和可行性，并利用该方法测量标准样板的发射率，测得发射率最大误差值为0.05，满足该方法±0.05的测量精度。该方法操作简单，系统体积小，可便携，能够实现高精度的发射率在线测量。

参考文献:

[1]Pérez-SáezRB,CampoLdel,TelloMJ.Analysisoftheaccuracyofmethodsforthedirectmeasurementofemissivity[J].InternationalJournalofThermophysics,2008,29(3):1141-1155.

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[3]江先军,叶林,葛俊锋，等.发射率在线测试仪的研制[J].仪表技术与传感器,2012(3):21-23.

[4]刘丰,葛俊锋,叶林,等.物体热发射率在线测试仪[J].测控技术,2013,32(7):4-7.

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[6]夏元.主动式发射率检测系统技术研究开发[D].武汉：华中科技大学,2011.

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[9]陈斌.双罩法发射率在线测量系统的研究开发[D].武汉：华中科技大学,2011.

[10] 江先军.单罩比值法发射率在线测量技术的研究[D].武汉：华中科技大学,2012.

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[13] 杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，2006:245-246.

EmissivityonlinemeasurementsystembasedonMLX90614infraredthermometer*

JIShan-shan,GEJun-feng,YELin,YANZe-hao,JIACheng-an

(SchoolofAutomation,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)

Abstract:In order to achieve fast online measurement of object surface emissivity,an online emissivity measurement system is designed based on MLX90614 infrared thermometer,and system accuracy is verified by blackbody equivalent method,measurement precision can reach ± 0.05.Factors that affect test results are verified by test,it turns out that the influence of distance and cool-end temperature of sensor on measurement result is not obvious.Emissivity measurement tests of standard models also shows that the system can meet requirements of online measurement emissivity.

Key words:emissivity; online measurement; blackbody equivalent method; MLX90614

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0089—04

收稿日期：2015—08—09

*基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2010QN046)

中图分类号：TP 212.9

文献标识码：A

文章编号：1000—9787(2016)04—0089—04

作者简介:

吉珊珊(1992-)，女，湖北枣阳人，硕士研究生，主要研究方向为发射率在线测量相关传感器。