熱輻射測量系統(tǒng)

1、第3章 熱輻射測量系統(tǒng)u 1. 輻射測量系統(tǒng)的分類 u 2. 輻射測量的基本儀器u 3. 輻射測量系統(tǒng)的性能及其測量3.1 輻射測量系統(tǒng)的分類 本質(zhì)：光學(xué)-電子系統(tǒng)，用于接收波長為0.31000mm的電磁輻射?；竟δ軐⒓t外輻射轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后利用它去達(dá)到某種實(shí)用目的（如輻射大小、溫度）。習(xí)慣上把測量系統(tǒng)分為以下幾類：u（1）按功能分：測輻射熱計(jì)、紅外光譜儀、搜索系統(tǒng)、跟蹤系統(tǒng)、測距系統(tǒng)、警戒系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、熱成像系統(tǒng)和測溫儀等；u（2）按工作方式分：主動(dòng)和被動(dòng)系統(tǒng)、單元和多元系統(tǒng)、光點(diǎn)掃描系統(tǒng)及調(diào)制盤掃描系統(tǒng)、成像和非成像系統(tǒng)；u（3）按應(yīng)用領(lǐng)域分：軍用和民用系統(tǒng)；u（4）按探測器元件數(shù)分

2、：被動(dòng)式紅外系統(tǒng)可分為第一代、第二代和第三代系統(tǒng)。紅外測量系統(tǒng)u第一代：建立在單元或多元探測器基礎(chǔ)上，采用傳統(tǒng)的光機(jī)掃描；u第二代：采用多元焦平面陣列器件。元件數(shù)達(dá)到103，圖像質(zhì)量可與現(xiàn)代電視系統(tǒng)相比擬，但其中還有某種光機(jī)掃描部件；u 第三代：焦平面的元件足夠多，可覆蓋整個(gè)視場，由電子掃描代替光機(jī)掃描，稱為“凝視”系統(tǒng)。目標(biāo)大氣衰減光學(xué)接收調(diào)制編碼探測器制冷機(jī)顯示信息處理控制裝置積分球：常和光源、探測器裝在一起，作為理想漫射光源和勻光器，廣泛用于輻射測量?；窘Y(jié)構(gòu)：由鋁或塑料等做成的一個(gè)內(nèi)部空心球，內(nèi)壁均勻噴涂多層中性漫射材料，如MgO、BaSO4、聚四氟乙烯等。球上開有多個(gè)孔，作為入射光孔

3、、安裝探測器、光源等用，為防止入射光直射探測器上，球內(nèi)還裝有遮擋屏。 3.2 輻射測量系統(tǒng)的基本儀器3.2.1 積分球P.163 圖6-5假設(shè)：有一束入射輻射通量照在積分球內(nèi)表面A上，分析不在A處的某一表面元dA的輻照度。3.2.1 積分球/AALE0222444AdAdAdddELdARRR002244EdEdRR 002244dAEdELdARR3.2.1 積分球00(1)nniiiiiff20000022444sEEEdEdARERR 2000021114EEEEER214ER00niif實(shí)際應(yīng)用需要考慮的問題：u 球內(nèi)的遮擋屏與物：使積分球?qū)嶋H工況偏離理想球。增大球尺寸，可相對(duì)減少遮擋

4、屏和物的影響。遮擋屏應(yīng)涂上和積分球內(nèi)表面相同的涂層。u 涂層：涂層的光譜反射比對(duì)積分球出射光的光譜特性有很大影響。光譜輻照度應(yīng)寫成：3.2.1 積分球2( )( )( )1( )4ER ( )1( )( )1( )( )EE 當(dāng)反射比等于0.98時(shí)，照度的相對(duì)變化率約為反射比相對(duì)變化的50倍。當(dāng)積分球和探測器與光源一起工作時(shí)，應(yīng)作為一個(gè)整體來考慮其光譜特性。u 要求高的涂層反射比主要是為了增加出射窗處的輻照度值；u 當(dāng)出射窗的輻照度要求不強(qiáng)，而要求輻照度的時(shí)間穩(wěn)定性好時(shí)，可用發(fā)射比較低的涂層；u 當(dāng)積分球工作在中遠(yuǎn)紅外譜段時(shí)，由于BaSO4等在波長大于2.5mm時(shí)，反射比下降很快，所以用作涂層

5、材料性能很差。S在3-12mm平均反射比為0.94。3.2.1 積分球出射窗口：應(yīng)用無選擇性的透明材料。尺寸與積分球應(yīng)當(dāng)有一定的比例。1%均勻性，比例小于1/10。3.2.2 單色儀定義：將具有寬譜段輻射的光源分成一系列譜線很窄的單色光，既可以作為一個(gè)可調(diào)波長的單色光源，也可作為分光器。原理：利用色散元件（棱鏡、光柵等）對(duì)不同波長的光具有不同色散角的原理，將光輻射能的光譜在空間分開，并由入射狹縫和出射狹縫的配合，在出射狹縫處得到所要求的窄譜段光譜輻射。應(yīng)用：單色儀作為獨(dú)立的儀器使用時(shí)，可用于物體的發(fā)射、吸收、反射和透射特性的分光輻射測量和光譜研究，也可用于各種探測器的光譜響應(yīng)測量。若把單色儀與

6、其他體系組合在一起，則可構(gòu)成各種光譜測量儀器，如紅外光譜輻射計(jì)和紅外分光光度計(jì)等。實(shí)質(zhì)：實(shí)質(zhì)：將由不同波長的將由不同波長的“復(fù)合光復(fù)合光”分開為一系列單一分開為一系列單一 波長的波長的“單色光單色光”的器件。的器件。 理想的理想的100%的單色光是不可能達(dá)到的，實(shí)際上只能獲的單色光是不可能達(dá)到的，實(shí)際上只能獲得的是具有一定得的是具有一定“純度純度”的單色光，即該單色光具有的單色光，即該單色光具有一定的寬度（有效帶寬）。有效帶寬越小，分析的靈一定的寬度（有效帶寬）。有效帶寬越小，分析的靈敏度越高、選擇性越好、分析物濃度與光學(xué)響應(yīng)信號(hào)敏度越高、選擇性越好、分析物濃度與光學(xué)響應(yīng)信號(hào)的線性相關(guān)性也越好

7、。的線性相關(guān)性也越好。3.2.2 單色儀構(gòu)成：狹縫、準(zhǔn)直鏡、棱鏡或光柵、會(huì)聚透鏡。構(gòu)成：狹縫、準(zhǔn)直鏡、棱鏡或光柵、會(huì)聚透鏡。 入射狹縫入射狹縫準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直鏡物鏡物鏡棱鏡棱鏡焦面焦面出射狹縫出射狹縫f入射狹縫入射狹縫準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直鏡光柵光柵物鏡物鏡出射狹縫出射狹縫f其中最主要的分光原件為棱鏡和光柵。其中最主要的分光原件為棱鏡和光柵。 棱鏡（棱鏡（PrismPrism）：）：制作：制作： 棱鏡的色散作用是基于構(gòu)成棱鏡的光學(xué)材料棱鏡的色散作用是基于構(gòu)成棱鏡的光學(xué)材料對(duì)不同波長的光具有不同的折射率。波長大的折射率對(duì)不同波長的光具有不同的折射率。波長大的折射率小，波長小的折射率大。小，波長小的折射率大。Cor

8、nu棱鏡棱鏡 b Littrow棱鏡棱鏡（左旋（左旋+右旋右旋-消除雙像）消除雙像） （鍍膜反射）（鍍膜反射）光柵光柵制作：制作：以特殊的工具（如鉆石），在硬質(zhì)、磨光的光以特殊的工具（如鉆石），在硬質(zhì)、磨光的光 學(xué)平面上刻出大量緊密而平行的刻槽。以此為學(xué)平面上刻出大量緊密而平行的刻槽。以此為 母板，可用液態(tài)樹脂在其上復(fù)制出光柵。制作母板，可用液態(tài)樹脂在其上復(fù)制出光柵。制作 的光柵有平面透射光柵、平面反射光柵及凹面的光柵有平面透射光柵、平面反射光柵及凹面 反射光柵。刻制質(zhì)量不高的光柵易產(chǎn)生散射線反射光柵?？讨瀑|(zhì)量不高的光柵易產(chǎn)生散射線 及鬼線（及鬼線（Ghost lines）。）。 通常的刻線數(shù)

9、為通常的刻線數(shù)為300-2000刻槽刻槽/mm。最常用的是。最常用的是1200-1400刻槽刻槽/mm（紫外可見）及（紫外可見）及100-200刻槽刻槽/mm（紅外）。（紅外）。 狹縫（狹縫（SlitSlit）構(gòu)成：構(gòu)成：狹縫是兩片經(jīng)過精密加工、具有銳利邊緣的金狹縫是兩片經(jīng)過精密加工、具有銳利邊緣的金 屬組成。兩片金屬處于相同平面上且相互平行。入射狹縫屬組成。兩片金屬處于相同平面上且相互平行。入射狹縫可看作是一個(gè)光源，在相應(yīng)波長位置，入射狹縫的像剛好可看作是一個(gè)光源，在相應(yīng)波長位置，入射狹縫的像剛好充滿整個(gè)出射狹縫。充滿整個(gè)出射狹縫。光柵光譜儀光譜分析通用設(shè)備，可以研究諸如氫氘光譜，鈉光譜等元

10、素光譜（使用元素?zé)糇鳛楣庠矗部梢宰鳛楦鼮閺?fù)雜的光譜儀器的后端分析設(shè)備，比如激光喇曼/熒光光譜儀。 光柵光譜儀多功能光柵光譜儀光路圖光柵及反射鏡光柵由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由計(jì)算機(jī)軟件驅(qū)動(dòng)，可以獲得較高的精度。 反射鏡 1 將由入射狹縫進(jìn)入的光線反射到準(zhǔn)光鏡上。 反射鏡 2 離開光路時(shí)，物鏡上射來的光線直接進(jìn)入出射狹縫到光電倍增管，而當(dāng)反射鏡 2 進(jìn)入光路時(shí)，出射光 線被反射到 CCD 接收器。 光柵光譜儀多功能光柵光譜儀內(nèi)部結(jié)構(gòu) 光柵光譜儀接收設(shè)備 ( 光電倍增管 /CCD) 3.2.3 傅里葉分光儀FTIR光譜分析儀光譜分析儀- 6100（JASCO ）定義：利用干涉的方法，并經(jīng)過傅立葉變換而獲

11、得紅外光譜的儀器。（1）掃描速度極快：）掃描速度極快：一次完整掃描據(jù)需要為8、15、30s等。（2）具有很高的分辨率：）具有很高的分辨率：分辨率達(dá)0.10.005 cm-1。（3）靈敏度高：）靈敏度高：可檢測10-8g數(shù)量級(jí)的樣品。（4）波數(shù)準(zhǔn)確度高：）波數(shù)準(zhǔn)確度高：可達(dá)0.01 cm-1的測量精度。（5）光學(xué)部件簡單：）光學(xué)部件簡單：只有一個(gè)可動(dòng)鏡。（6）多通路：）多通路：所有頻率同時(shí)測量。FTIR的特點(diǎn)：Light source Background Sample （）（）（）（）Transmission spectrum （）（）/（）（） 40004000 400400 SBSB Wa

12、venumbercmWavenumbercm-1-1 40004000 400400 SBSB WavenumbercmWavenumbercm-1-1 40004000 400400 %T%T WavenumbercmWavenumbercm-1-1 工作過程工作過程 InterferometerMeasurement: InterferogramFourier transform processLight sourceInterferometerSample chamber DetectorElectrical system circuitsComputer Infrared lightI

13、nterference wavesAbsorption(Interferogram)Optical signal Electrical signal Signal sampling Analog signal Digital signalFourier transform IR spectrumSpectroscope Spectroscope 傅里葉變換紅外光譜儀結(jié)構(gòu)框圖傅里葉變換紅外光譜儀結(jié)構(gòu)框圖干涉儀干涉儀光源光源樣品室樣品室檢測器檢測器顯示器顯示器繪圖儀繪圖儀計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)干涉圖干涉圖光譜圖光譜圖FTS傅里葉變換紅外光譜儀簡介InterferometerHe-Ne gas laser F

14、ixed mirror Movable mirror Sample chamber Light source (ceramic) Detector （）（）Beam splitter （/）FT Optical System Diagram NicoletNicolet公司的公司的AVATAR 360 FT-IRAVATAR 360 FT-IR Movable mirror Fixed mirror Movable mirror Fixed mirror Movable mirror Fixed mirror Movable mirror Same-phase interference wav

15、e shape Opposite-phase interference wave shape Same-phase interference wave shape Interference pattern of light manifested by the optical-path differenceContinuous phase shift Optical-path difference xSignal strength (X)(X)0Interference of Two Beams of Light 40004000 400400 SBSB Fourier transform Op

16、tical path difference x* Time axis by FFT = Wavenumber (Interferogram) (Single beam spectrum) WavenumbercmWavenumbercm-1-1 Fourier transform Single strength KBr disk technique Primarily qualitative analysis of organic or inorganic substances in powder form or that can be made into powder form Thin-f

17、ilm technique Polymeric qualitative and quantitative analysis for substances in film form or that can be made into film form Solution technique Primarily qualitative analysis of substances dissolved in solvent (uses liquid cells) Liquid film technique Primarily qualitative analysis of viscous and no

18、nvolatile substances (sandwiched between KBr windows) Solution technique Primarily qualitative analysis of liquids that dissolve in solvent and nonvolatile substances (uses liquid cells) Types of Transmission Techniques Solid samples Liquid samples I0ItIrIa透光度透光度（transmittance)T=It/I0吸光度吸光度(absorban

19、ce)A= - -lgT標(biāo)準(zhǔn)聚乙烯薄膜0 100 20 40 60 80 4000 400 2000 1000 %T%T Wavenumbercm-1Wavenumbercm-1 1 .氣體樣品氣體樣品 氣態(tài)樣品可在玻璃氣槽內(nèi)進(jìn)行測定，它的兩端粘有紅外透光的NaCl或KBr窗片。先將氣槽抽真空，再將試樣注入。 2 . 液體和溶液試樣液體和溶液試樣 （1）液體池法）液體池法 沸點(diǎn)較低，揮發(fā)性較大的試樣，可注入封閉液體池中，液層厚度一般為0.011mm。 （2）液膜法）液膜法 沸點(diǎn)較高的試樣，直接直接滴在兩片鹽片之間，形成液膜。 3 . 固體試樣固體試樣 （1）壓片法）壓片法 將12mg試樣與20

20、0mg純KBr研細(xì)均勻，置于模具中，用（510）107Pa壓力在油壓機(jī)上壓成透明薄片，即可用于測定。試樣和試樣和KBr都應(yīng)經(jīng)干燥處理，都應(yīng)經(jīng)干燥處理，研磨到粒度小于2微米，以免散射光影響。 （2）石蠟糊法）石蠟糊法 將干燥處理后的試樣研細(xì)，與液體石蠟或全氟代烴混合，調(diào)成糊狀，夾在鹽片中測定。 （3）薄膜法）薄膜法 主要用于高分子化合物的測定?？蓪⑺鼈冎苯蛹訜崛廴诤笸恐苹驂褐瞥赡ぁＲ部蓪⒃嚇尤芙庠诘头悬c(diǎn)的易揮發(fā)溶劑中，涂在鹽片上，待溶劑揮發(fā)后成膜測定。3mm3mmWhat You NeedProtuberance is different! KBr crystals (for IR) Micro

21、disk press Hand press Disk holder KBr Disk Technique Disk pressDisk diameter 10 mm 5 mm3 mm2 mmSample amount500 mg mgSeveral 10sof mgSeveral mgKBr amount 150 mg20 mg10 7 mg5 3 mgPressure7 t1 tHand pressHand pressMicrodisk press Short protuberance Long protuberanceApply pressure with hand pressPlace

22、in holder and measureInsert powder How to Make Disks WindowSample Add drops of solvent to dissolve sample Spread out thinly using a spatula or similar implement Measure once the solvent evaporates Thin-Film Technique Sandwich the sample between two windowsPlace and measure the assembly cell What You

23、 Need Windows Assembly cell ( ( Spacer) ) Silicone clothScrewR u b b e r backing C e l l frameWindows Sample Assembly cell Spacer (Al or Pb)Rubber backing Cell frameWindowsSampleSpacerLiquid-Film Technique (1) 近紅外光譜區(qū)的透光材料：近紅外光譜區(qū)的透光材料：石英、玻璃石英、玻璃 (2) 遠(yuǎn)紅外光譜區(qū)的透光材料：遠(yuǎn)紅外光譜區(qū)的透光材料：KBr、聚乙烯膜或顆粒、聚乙烯膜或顆粒 (3) 樣品池

24、的類型：樣品池的類型：固定池、可拆池、可變厚度池、微量池、氣體池固定池、可拆池、可變厚度池、微量池、氣體池固定固定可拆池可拆池氣體池氣體池橡膠墊橡膠墊窗片窗片前后框架前后框架汞劑化鉛間隔片汞劑化鉛間隔片樣樣品品進(jìn)、進(jìn)、出出口口前后框架前后框架窗片窗片橡膠墊橡膠墊汞劑化鉛間隔片汞劑化鉛間隔片窗片窗片Applicable Range（ （cm cm ） ）-1 -1 MaterialKBrKBrCaFCaF2 2KRS-5KRS-5ZnSeZnSeGeGeRefractivity 1.51.51.41.42.42.42.42.44.04.0Melting Point（ （） ）7307301360

25、13604144141100110093693643500435004004007700077000110011002000020000250250100001000050050055005500500500Water-Solubility （ （g/100gg/100g水）水）53.553.50.00170.00170.050.05Insoluble Insoluble Notes No mechanical strength Easily broken Dissolved in an ammonia salt solution Affected by acidic solutions So

26、ft and easily damaged Easily broken Easily broken Dissolves in warm sulfuric acid Dissolves in HNO3 3 3* For ATR: up to about 650 * For ATR: up to about 700 Materials That Transmit Infrared -10-10 100100 0 0 5050 60006000 400400 20002000 40004000 %T%T Wavenumbercm-1Wavenumbercm-1 CaFCaF2 2 KBrKBr KR

27、S-5KRS-5GeGe ZnSeZnSe 3.3 測量系統(tǒng)的性能及其測量儀器的標(biāo)定理想的測量系統(tǒng)：u 在所測量的光譜范圍內(nèi)，系統(tǒng)具有均勻的光譜響應(yīng)，在響應(yīng)光譜范圍之外的光譜響應(yīng)為0，即測量系統(tǒng)具有理想的光譜帶寬響應(yīng)；u 在所要求測量動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，系統(tǒng)具有線性響應(yīng)，即輸出信號(hào)和待測輻射量之間成正比；u 在測量視場內(nèi)，各視場角能接收等量的輻射能，而在測量視場外，射入系統(tǒng)的雜散光不能到達(dá)探測器表面，即系統(tǒng)具有理想的視場響應(yīng)；u 測量系統(tǒng)的響應(yīng)不受入射光偏振程度的影響。輻射測量概念簡介u 入瞳尺寸u 標(biāo)定源u 通光面積u 光學(xué)系統(tǒng)u視場角3.3.1 測量系統(tǒng)的響應(yīng)度3.3.1.1 遠(yuǎn)距離小光源法20(

28、 ) ( )AELdl 有效發(fā)光面積標(biāo)定光源的光譜輻亮度采用準(zhǔn)直系統(tǒng)2/EIfaEaVVVREEE消除背景影響3.3.1.2 遠(yuǎn)距離面光源法u 標(biāo)定時(shí)面光源對(duì)儀器的張角一般應(yīng)大于儀器視場的4倍采用積分球和大面積低溫黑體當(dāng)面光源00( ) ( )LVVRLLd 該方法不必知道待標(biāo)儀器的視場角和入瞳面積3.3.1.3 近距離面光源法同遠(yuǎn)距離面光源法類似，但面源可以做的很小。u 原理：標(biāo)定光源放在待標(biāo)定儀器入瞳附近，而標(biāo)定光源的尺寸要比儀器入瞳口徑小得多。2sccALALAf 3.3.1.4 近距離小光源法（瓊斯法）2sspAL Af 222sccsspsppfA AfALLLA AA AAfcLpV ARL A缺點(diǎn)00( ) ( )( )LLRLdRLdmax( )( )LRRR0max0( ) ( )( )LRLdRRLd3.3.1.4 近距離小光源法（瓊斯法）光譜響應(yīng)度00( )( )( )( ) ( )LLR RLdRRLd相對(duì)光譜響應(yīng)（歸一化）u 要求：盡可能平坦的光譜響應(yīng)u 光譜泄漏：在離工作譜段較遠(yuǎn)的波長區(qū)，出現(xiàn)次響應(yīng)譜段，并可延伸到相對(duì)寬的波長范圍，在工作波段以外的響應(yīng)度叫做。u 帶寬歸一化法：用等效理想矩形帶寬代替系統(tǒng)實(shí)際光譜響應(yīng)稱為。表示在一定條件下，使用理想響應(yīng)在測量結(jié)果上等效于實(shí)際測量系統(tǒng)的響應(yīng)。3.3.2 測量系統(tǒng)的光譜響應(yīng)圖 7-83.3.