便攜式半球發(fā)射率測試儀設(shè)計

摘 要：通過合理設(shè)計，設(shè)計研究了一種便攜式半球發(fā)射率測試儀。該文著重敘述了測試儀的測試原理、結(jié)構(gòu)組成、測試過程及測量精度分析等。此設(shè)計研究對材料半球發(fā)射率的測試及新材料的研究有著十分重要的意義。

關(guān)鍵詞：半球發(fā)射率；輻射計法；隔熱涂料；便攜式

半球發(fā)射率是指熱輻射體在半球方向上的輻射出射度與處于相同溫度的全輻射體（黑體）的輻射出射度的比值，體現(xiàn)了材料在特定溫度下相對黑體的輻射能力。它是材料的一個重要物理性能參數(shù)，是研究輻射熱傳遞、衡量材料質(zhì)量等問題指標之一，有助于新型材料的研究。

針對目前測量接近常溫條件下材料半球發(fā)射率測試的需求，如建筑隔熱涂料和航天器熱控涂層等材料測量，根據(jù)不同的測量原理可分為量熱法、反射率法、輻射計法等?？紤]測試需求、便捷方便及儀器的性價比，故采用輻射計法為原理結(jié)合相對比較法，設(shè)計研制了一種便攜式半球發(fā)射率測試儀，以實現(xiàn)對接近常溫條件下材料的半球發(fā)射率參數(shù)的便攜測量。

1 原理及結(jié)構(gòu)組成

1.1 測試原理

該測試儀采用輻射計法為原理結(jié)合相對比較法。輻射計探測器測量高低輻射區(qū)溫差并輸出電壓信號，該電壓信號與被測樣品的半球發(fā)射率呈線性關(guān)系。通過高、低半球發(fā)射率標準板與被測樣品輸出的電壓信號大小相比較，從而得出被測樣品的半球發(fā)射率數(shù)值。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

該測試儀由熱沉、兩套標準板、輻射計探測器、電源適配器等組成，均被收納于便攜防護箱中。

熱沉用于試驗時放置被測樣品和標準板，是用來保證試驗過程中標準板與測試樣品保持相同、穩(wěn)定的溫度并接近室溫，以滿足測試條件。設(shè)計時采用導(dǎo)熱良好的鋁散熱片并且表面進行氧化黑色處理，滿足設(shè)計要求。

一套標準板包含高發(fā)射率標準板和低發(fā)射率標準板各一件，用于測試校準。高發(fā)射率標準板采用鋁合金并氧化黑色，用于高發(fā)射率數(shù)值校準。低發(fā)射率標準板采用不銹鋼并表面拋光，用于低發(fā)射率數(shù)值校準。為保證測量精度，該測試儀提供完全一致的兩套標準板即為A套和B套。其中A套標準板作為測試樣品時校準使用，B套用于對A套標準板的定期核查。

輻射計探測器主要由探頭殼體、控制顯示系統(tǒng)和測量探頭等組成。將測量與讀數(shù)控制顯示為一體，無需用線連接，便攜方便。

測量探頭的設(shè)計尤為重要。主要由探頭基座、加熱器、測溫元件和輻射測量片等組成。探頭基座采用鋁合金制作。加熱器采用PTC加熱片。將測溫元件分別布于輻射測量片的高、低輻射區(qū)，構(gòu)成高低輻射測量區(qū)。加熱器為探頭基座提供輻射溫度，通過探頭基座表面溫度、被測樣品表面和高低輻射測量區(qū)之間的輻射傳導(dǎo)，使高低輻射測量區(qū)產(chǎn)生溫差。通過對高低輻射測量區(qū)測量溫差并依據(jù)測量原理對數(shù)據(jù)處理，可得出試樣材料的半球發(fā)射率。

便攜防護箱采用注塑成型。將測試儀組成部件均收納于便攜防護箱中，便于攜帶并具有減震保護作用。

2 測試過程

1）將熱沉放置平臺上，實驗時將放置高、低發(fā)射率標準板位置的熱沉表面分別滴2滴純凈水，然后將高、低發(fā)射率標準板放置熱沉表面。

2）將輻射計探測器依次分別放置在高發(fā)射率標準板和低發(fā)射率標準板上，待數(shù)值穩(wěn)定，按操作面板相應(yīng)高發(fā)射率校準鍵和低發(fā)射率校準鍵，完成高、低發(fā)射率值校準。

3）取走低發(fā)射率標準板，更換被測樣品放置熱沉表面。輻射計探測器放在被測樣品上，待數(shù)值穩(wěn)定后，顯示值即為被測樣品的半球發(fā)射率數(shù)值。

3 測量誤差分析

誤差分析采用與標準樣品相比對的方法。利用高發(fā)射率標準板數(shù)值0.88、低發(fā)射率標準板數(shù)值0.06作為一套標準板對測試儀進行高低數(shù)值校準，計量部門標定過的標準樣品數(shù)值為0.82（A樣）和0.86%（B樣）作為被測樣品，進行測試儀的誤差分析。

經(jīng)過測試并計算分析，測量示值與計量部門標定數(shù)值的誤差均在±1%范圍以內(nèi)，并且重復(fù)性好，滿足測試要求。

4 結(jié)論

該文詳細敘述了便攜式半球發(fā)射率測試儀的設(shè)計原理、結(jié)構(gòu)和測量誤差分析等。該測試儀結(jié)構(gòu)簡單、測量簡便、攜帶方便并能直觀測出半球發(fā)射率數(shù)值。對材料半球發(fā)射率的測試及新材料的研究，具有重要的作用。

參考文獻：

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[2] ASTM C 1371a-2004.Standard Test Method for Determination of Emittance of Materials Near Room Temperature Using Portable Emissometers[S].美國.美國材料與試驗協(xié)會（ASTM），2004.

作者簡介：冀中祥（1988-），男，河南駐馬店人，助理工程師，主要從事機械設(shè)計及檢測技術(shù)研究。