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如何使用熱像儀提高發射率?

發射率是影響紅外熱像儀檢測精度的重要參數之一,因各目標不盡相同,故發射率會有很大差別;若不能準確設置發射率或找到正確的途徑判斷溫度,則會造成嚴重的測量誤差,本章講述的是如何修正發射率,滿足客戶精確測量的需求。



什么是發射率?

發射率是指物體表面輻射出的能量與相同溫度的黑體輻射能量的比率。(黑體是一種理想化的輻射體,可輻射出所有的能量,其表面的發射率為1.00)各種物質的發射率是由物體的本身材質所決定,相同的溫度下,物質不同,向外輻射的能量也會不同。


影響發射率的因素有哪些?

我們將檢測的目標分為非金屬和金屬材料兩大部分,大多數非金屬材料(如塑料、油漆、皮革、紙張等)發射率可設置為0.95,相同材質、不同顏色的目標其發 射率非常接近,誤差通常不超過測量精度范圍;部分表面光亮的非金屬材料發射率較低(如瓷磚、玻璃等),這些材料需要參考后頁內容進行發射率確認。金屬材料的發射率會受到下列因素的影響:

1、材料不同材料的發射率不同,如銅的發射率一般來說比鋁高。

2、表面光潔度通常表面粗糙的材料發射率比光潔表面高。



表面幾何形狀中空,有角度的及孔洞的,表面多重反射等具有較高發射率,表面有凹陷、夾角或不平整規則的部位比平整的部位發射率高,如通常我們在檢測模具加熱時會,發現溫度有偏高的部位,但實際上該模具溫度是均勻的,偏高的位置往往是表面不規則的部分。

一般而言,潔凈、未氧化、裸露的金屬表面發射率較低,有的甚至難以使用紅外熱像儀測量。在許多工業研發應用中,發射率低的物體普遍存在,而在電氣應用中尤為突出。為了獲得理想的測量結果,需要提高這些目標的發射率。


熱像儀記錄了電磁光譜中紅外波段的輻射強度,然后將其轉化為可見光圖像。源自某一物體的紅外能量通過熱像儀的光學鏡頭聚焦,傳遞至紅外探測器上,探測器將信息發送至傳感器電子元件,進行圖像處理。電子元件將來自探測器的數據轉化為可在取景器、標準視頻顯示器或LCD顯示屏上查看的圖像。紅外成像是一種將紅外圖像轉化為輻射圖像,可在圖像上讀取溫度值的技術。因此,紅外圖像的每個像素點實際上對應一個溫度值。


為了正確解讀熱圖像,需要了解不同材料與環境如何影響紅外熱像儀的溫度讀數。發射率是指:與完全發射體相比,目標物體發射紅外輻射的效率(完全發射體又稱為黑體,其發射率值為1)。實際上,我們的測量目標并非完全發射體,其發射率值往往小于1。目標的測溫值源于發射、傳輸與反射輻射量的總和。


完全黑體的輻射率為1,目標的輻射量完全由物體表面發出



實際上,我們的測量目標并非完全發射體,其發射率值往往小于1。目標的測溫值源于發射、傳輸與反射輻射量的總和。

目標物體的發射率、反射率和熱傳導值受材料的影響較大。大多數非金屬材料的發射率值接近0.9,表示所測90%的輻射由目標發出。大多數拋光金屬的發射率值約為0.05至0.1。根據氧化或腐蝕的不同程度,生銹、被氧化或被腐蝕金屬的發射率值范圍為:0.3至0.9。如果不能提高目標物體的發射率值,那么,發射率低于0.7的材料將會很難測量,低于0.2的材料幾乎無法測量。幸運的是,可使用十分經濟實用的方法來補償目標的低發射率。以下介紹3種簡單辦法可以降低目標的反射率,從而改善測量精度。


增加發射率確定方法:電工膠帶


大多數優質電工膠帶的發射率為0.95。須注意的是膠帶是不透明的,尤其是使用中波長(3-5μm)相機時。某些乙烯基膠帶質地非常薄,具有一定的紅外透射比,因此無法用作高發射率涂層。某某品牌88黑色乙烯基電工膠帶在短波(3-5μm)和長波(8-12μm)區段,發射率均為0.96,在此推薦使用。


帶光亮金屬蓋的大型專用集成電路(ASIC)的溫度:無涂層情況下,溫度讀數接近室溫。粘貼一層高發射率聚酰亞胺膠帶后,溫度讀數接近其真實溫度 43.9℃。

例如下圖,電工絕緣膠帶貼在不銹鋼杯的表面,將紅外熱像儀的發射率設為膠帶的發射率(0.93),同時使用接觸式熱電偶測量溫度,可看到絕緣膠帶處溫度與接觸式測溫一致,而不銹鋼杯表面與膠帶的發射率不同,故溫度顯示有較大差別。


本例展示了貼有膠帶的兩個罐子。左邊的罐子裝滿熱水,右邊的罐子僅處于常溫之下。對前者而言,從膠帶讀出的溫度為72.8?C,從罐子讀出的溫度為23.5?C。由于罐子的發射率較低,后者的讀數基本上為環境讀數。這是一個十分經典的案例,說明了高發射率應用于低發射率目標的必要性。

增加發射率確定方法:涂料 & 涂層


大多數涂料的發射率范圍為0.9-0.95。金屬漆發射率較低,不推薦使用。涂料的顏色并非影響紅外發射率的重要因素。涂料的光澤度比顏色更重要。平光涂料比光澤涂料更受歡迎。為了增加不透明度,涂層必須足夠厚。施加兩道涂層通常可以滿足需求。

左圖:未涂覆發射率增強涂料的印刷電路板
右圖:使用涂料的缺點在于減少了精細的細節信息


膠帶適用于小面積區域。涂料適用于大面積區域,但是涂料是永久性涂層。對于大面積需要被去除的涂層,或者膠帶不適用之處,懸浮液粉末或噴涂效果會更優。染色滲透劑與噴用足光粉便是2個很好的例子。如果粉末噴涂得足夠厚,且不透明,這兩種粉末的發射率范圍均在0.9至0.95之間。

增加發射率確定方法:修正液


使用修正液是增加表面發射率的有效途徑。這種方法可應用于最小的電氣元件中,性能優于無法在小面積表面粘貼的膠帶。修正液可使用刷子與酒精清洗掉。對于低波長熱像儀,修正液的發射率約為0.95-0.96。

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