熱輻射測量系統(tǒng)

第3章熱輻射測量系統(tǒng)1.輻射測量系統(tǒng)的分類

2.輻射測量的基本儀器

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0.3~1000mm的電磁輻射。基本功能——將紅外輻射轉(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：（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；（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)；（3）按應(yīng)用領(lǐng)域分：軍用和民用系統(tǒng)；（4）按探測器元件數(shù)分：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)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；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；

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、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3.2.1積分球?qū)嶋H應(yīng)用需要考慮的問題：

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。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。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；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；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)：將由不同波長的“復(fù)合光”分開為一系列單一波長的“單色光”的器件。理想的100%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“純度”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。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。

入射狹縫準(zhǔn)直鏡物鏡棱鏡焦面出射狹縫f入射狹縫準(zhǔn)直鏡光柵物鏡出射狹縫f其中最主要的分光原件為棱鏡和光柵。

棱鏡（Prism）：制作：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。波長大的折射率小，波長小的折射率大。Cornu棱鏡bLittrow棱鏡（左旋+右旋----消除雙像）（鍍膜反射）光柵制作：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反射光柵。刻制質(zhì)量不高的光柵易產(chǎn)生散射線及鬼線（Ghostlines）。

通常的刻線數(shù)為300-2000刻槽/mm。最常用的是1200-1400刻槽/mm（紫外可見）及100-200刻槽/mm（紅外）。

狹縫（Slit）構(gòu)成：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。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-6100（JASCO

）定義：利用干涉的方法，并經(jīng)過傅立葉變換而獲得紅外光譜的儀器。（1）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：分辨率達(dá)0.1~0.005cm-1。（3）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：可達(dá)0.01cm-1的測量精度。（5）光學(xué)部件簡單：只有一個(gè)可動(dòng)鏡。（6）多通路：所有頻率同時(shí)測量。FTIR的特點(diǎn)：Lightsource

Background

Sample

（Ｂ）（Ｓ）Transmissionspectrum

（Ｓ）/（Ｂ）

4000

400

SB

Wavenumber[cm-1]

4000

400

SB

Wavenumber[cm-1]4000

400

%T

Wavenumber[cm-1]工作過程

InterferometerMeasurement:InterferogramFouriertransformprocessLightsourceInterferometerSamplechamber

DetectorElectricalsystemcircuitsComputer

InfraredlightInterferencewavesAbsorption(Interferogram)Opticalsignal

↓Electricalsignal

Signalsampling

Analogsignal

↓

DigitalsignalFouriertransform

↓IRspectrumSpectroscope

Spectroscope

傅里葉變換紅外光譜儀結(jié)構(gòu)框圖干涉儀光源樣品室檢測器顯示器繪圖儀計(jì)算機(jī)干涉圖光譜圖FTS傅里葉變換紅外光譜儀簡介組成結(jié)構(gòu)框圖及工作原理檢測器邁克爾遜干涉儀吸收池?cái)?shù)據(jù)處理儀器控制光源傅里葉變換干涉圖FourierTransformInfraredSpectrometer

FT-IR分束器紅外吸收光譜圖InterferometerHe-Negaslaser

Fixedmirror

Movablemirror

Samplechamber

Lightsource

(ceramic)

Detector

（ＤＬＡＴＧＳ）Beamsplitter

（Ｇｅ/ＫＢｒ）FTOpticalSystemDiagram

Nicolet公司的AVATAR360FT-IR

Movablemirror

Fixedmirror

Ｂ

Movablemirror

Fixedmirror

Ａ

Movablemirror

Fixedmirror

Ｃ

Movablemirror

Same-phaseinterferencewaveshape

Opposite-phaseinterferencewaveshape

Same-phaseinterferencewaveshapeＤ

Interferencepatternoflightmanifestedbytheoptical-pathdifferenceContinuousphaseshift

－２λ

－λ

０

λ

２λ

Optical-pathdifference[x]Signalstrength

Ｉ

(X)λ0InterferenceofTwoBeamsofLight

4000

400

SB

Fouriertransform

Opticalpathdifference[x]*TimeaxisbyFFT=>Wavenumber

(Interferogram)

(Singlebeamspectrum)

Wavenumber[cm-1]Fouriertransform

Singlestrength

KBrdisktechnique

Primarilyqualitativeanalysisoforganicorinorganicsubstancesinpowderformorthatcanbemadeintopowderform

Thin-filmtechnique

Polymericqualitativeandquantitativeanalysisforsubstancesinfilmformorthatcanbemadeintofilmform

Solutiontechnique

Primarilyqualitativeanalysisofsubstancesdissolvedinsolvent(usesliquidcells)

Liquidfilmtechnique

Primarilyqualitativeanalysisofviscousandnonvolatilesubstances(sandwichedbetweenKBrwindows)

Solutiontechnique

Primarilyqualitativeanalysisofliquidsthatdissolveinsolventandnonvolatilesubstances(usesliquidcells)

TypesofTransmissionTechniques

Solidsamples

Liquidsamples

I0ItIrIa透光度（transmittance)T=It/I0吸光度(absorbance)A=-lgT朗伯-比爾定律標(biāo)準(zhǔn)聚乙烯薄膜0

100

20

40

60

80

4000

400

2000

1000

%T

Wavenumber[cm-1]

1.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（1）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0.01~1mm。（2）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（1）壓片法將1~2mg試樣與200mg純KBr研細(xì)均勻，置于模具中，用（5~10）107Pa壓力在油壓機(jī)上壓成透明薄片，即可用于測定。試樣和KBr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）薄膜法主要用于高分子化合物的測定。可將它們直接加熱熔融后涂制或壓制成膜。也可將試樣溶解在低沸點(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。3mmφWhatYouNeedProtuberanceisdifferent!?

KBrcrystals(forIR)

?Microdiskpress

?Handpress

?Diskholder

KBrDiskTechnique

Shortprotuberance

LongprotuberanceApplypressurewithhandpressPlaceinholderandmeasureInsertpowder

HowtoMakeDisks

WindowSample

Adddropsofsolventtodissolvesample

Spreadoutthinlyusingaspatulaorsimilarimplement

Measureoncethesolventevaporates

Thin-FilmTechnique

SandwichthesamplebetweentwowindowsPlaceandmeasuretheassemblycellWhatYouNeed?Windows?Assemblycell

(?Spacer)?

SiliconeclothScrewRubberbacking

CellframeWindows

Sample

Assemblycell

Spacer(AlorPb)Rubberbacking

CellframeWindowsSampleSpacerLiquid-FilmTechnique

(1)近紅外光譜區(qū)的透光材料：石英、玻璃

(2)遠(yuǎn)紅外光譜區(qū)的透光材料：KBr、聚乙烯膜或顆粒

(3)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氣體池橡膠墊窗片前后框架汞劑化鉛間隔片樣品進(jìn)、出口前后框架窗片橡膠墊汞劑化鉛間隔片窗片試樣氣體氣泵ApplicableRange（cm）-1MaterialKBrCaF2KRS-5ZnSeGeRefractivity1.51.42.42.44.0MeltingPoint（℃）7301360414110093643500～40077000～110020000～25010000～5005500～500Water-Solubility

（g/100g水）53.50.00170.05Insoluble

Insoluble

Notes

Nomechanicalstrength

Easilybroken

Dissolvedinanammoniasaltsolution

Affectedbyacidicsolutions

Softandeasilydamaged

Easilybroken

Easilybroken

Dissolvesinwarmsulfuricacid

DissolvesinHNO3

3*ForATR:uptoabout650

*ForATR:uptoabout700

MaterialsThatTransmitInfrared

-10

100

0

50

6000

400

2000

4000

%T

Wavenumber[cm-1]

CaF2

KBr

KRS-5Ge

ZnSe

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)：

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)；

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；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)；

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

入瞳尺寸標(biāo)定源通光面積光學(xué)系統(tǒng)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)消除背景影響3.3.1.2遠(yuǎn)距離面光源法

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。

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。3.3.1.4近距離小光源法（瓊斯法）缺點(diǎn)3.3.1.4近距離小光源法（瓊斯法）光譜響應(yīng)度相對(duì)光譜響應(yīng)（歸一化）

要求：盡可能平坦的光譜響應(yīng)

光譜泄漏：在離工作譜段較