光譜發(fā)射率測量技術(shù)解讀

1、收稿日期:2008-10-11;修訂日期:2008-12-15作者簡介:戴景民(1963,男,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向為輻射測溫及紅外輻射測量、熱物性光學(xué)特性測試、光電儀器與儀表。Emai:第38卷第4期紅外與激光工程2009年8月Vol.38No.4Infrared and Laser EngineeringAug.2009光譜發(fā)射率測量技術(shù)戴景民,宋揚,王宗偉(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院,黑龍江哈爾濱摘要:論述了光譜發(fā)射率在航天、航空、國防、軍事及國民經(jīng)濟各領(lǐng)域中的實際應(yīng)用和重要意義。材料光譜發(fā)射率的影響因素很多,且應(yīng)用背景差異較大,各國分別建立了各具特

2、色的發(fā)射率測量裝置。根據(jù)測量特點及應(yīng)用范圍,發(fā)射率測量方法分4大類:量熱法、反射法、能量法和多波長法。針對每種測量方法介紹了基本原理、裝置特點、技術(shù)指標和發(fā)展現(xiàn)狀。簡單介紹了基于紅外傅里葉分析光譜儀建立的光譜發(fā)射率測量系統(tǒng),進而描述了材料發(fā)射率在重要領(lǐng)域的具體應(yīng)用情況。分析了我國目前在發(fā)射率測量技術(shù)方面存在的問題,展望了我國發(fā)射率測量技術(shù)的發(fā)展趨勢和發(fā)射率數(shù)據(jù)庫方面的進一步工作。關(guān)鍵詞:計量學(xué);發(fā)射率測量;綜述;輻射;溫度中圖分類號:TB92文獻標識碼:A文章編號:1007-2276(-0710-06Review of spectral emissivity measurementDAI Ji

3、ng 螄min,SONG Yang,WANG Zong 螄wei(School of Electrical Engineering and Automation,Harbin Institute of Technology,Harbin ,ChinaAbstract:The practical application and vital significance of spectral emissivity in astronautics,aeronautics,national defense and military have been discussed.Since there are

4、many influence factors on spectral emissivity and its application,a lot of emissivity measurement apparatus in different types have been set up in many countries.According to the measurement characteristic and application scope,the emissivity measurement methods were classified as four kinds,calorim

5、etric,reflection,energy and multi 螄wavelength method.The basic schematic,apparatus characteristic,technique index and development status were introduced for every method.The emissivity measurement apparatus based on infrared Fourier analysis spectrometer were introduced.The specific applications in

6、the vital fields were described.And the problems existed in our country for the emissivity measurement have been analyzed.Finally,the tendency and future work on data base of the emissivity measurement were forecasted.Key words:Metrology;Emissivity measurement;Review;Radiation;Temperature0引言各種物質(zhì)表面的發(fā)

7、射率(也稱輻射率、黑度系數(shù)等是表征物質(zhì)表面輻射本領(lǐng)的物理量,是一項重要的熱物性參數(shù)。在很多領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。例如,國防領(lǐng)域中,是對導(dǎo)彈尾焰、蒙皮的輻射特性的認知和軍第4期事預(yù)警、制導(dǎo)、隱身的關(guān)鍵。再如在能源利用、遙感、遙測、輻射測溫、紅外加熱、醫(yī)學(xué)理療等領(lǐng)域中也具有重要的應(yīng)用價值。近年來,由于軍事、國防、材料及能源技術(shù)的快速發(fā)展,對發(fā)射率測量提出了越來越高的要求。同時,由于探測、計算機技術(shù)的發(fā)展,發(fā)射率測量技術(shù)也得到了長足的發(fā)展。在總結(jié)近幾年發(fā)射率測量技術(shù)研究現(xiàn)狀和應(yīng)用情況的同時,介紹了基于紅外傅里葉光譜分析儀設(shè)計的光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)。最后,對未來的發(fā)展趨勢進行了展望。1發(fā)射率測量技術(shù)綜述

8、材料的熱輻射特性在不同波長及不同方向上不同,因此,按波長范圍可分為光譜(或單色及全波長發(fā)射率,按發(fā)射方向可分為方向、法向及半球發(fā)射率1。根據(jù)不同的測量原理,通常將發(fā)射率測量方法分為量熱法、反射率法、輻射能量法和多波長測量法等,如圖1所示。圖1發(fā)射率測量方法分類圖Fig.1Classification chart of emissivity measurement methods1.1量熱法量熱法按熱流狀態(tài)可分為穩(wěn)態(tài)法及瞬態(tài)法2-5。其基本原理是:被測樣品與周圍相關(guān)物體共同組成一個熱交換系統(tǒng),根據(jù)傳熱理論推導(dǎo)出系統(tǒng)有關(guān)材料發(fā)射率的傳熱方程,再測出樣品有關(guān)點的溫度值,就能確定系統(tǒng)的熱交換狀態(tài),從而

9、求出樣品發(fā)射率。熱交換系統(tǒng)可分為穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)和瞬態(tài)系統(tǒng)兩大類。1.1.1穩(wěn)態(tài)量熱法Worthing于1941年就提出了測量全波長半球發(fā)射率的最為簡便的穩(wěn)態(tài)量熱法燈絲加熱法。Richmond(1960年、Howl(1962年及Cezairliyan(1970年等也采用了類似方法。直到近年來,仍然有人采用該方法測量材料的發(fā)射率。在裝置很精密、且經(jīng)過仔細調(diào)試后,總測量精度可達2%。該方法的測量溫度范圍比較寬,為-501000。但只能測試全波長半球發(fā)射率,不能測量光譜或定向發(fā)射率,此外,樣品制作麻煩,測試時間長;但由于裝置簡單、測試溫度范圍較寬、準確度高等優(yōu)點而得到廣泛使用。1.1.2瞬態(tài)量熱法瞬態(tài)量熱法

10、是采用瞬態(tài)加熱技術(shù)(如激光、電流等,使試樣的溫度急劇升高,通過測量試樣的溫度、加熱功率等參數(shù),再結(jié)合輔助設(shè)備測量物體的發(fā)射率。早在20世紀60年代Ramanathan等人用此方法測定了各種溫度范圍的銅、鋁、銀、鎢及不銹鋼的全波長半球發(fā)射率。此方法設(shè)備比較簡單,但測溫上限低。20世紀70年代以后,美國NIST(原NBS的Cezairliyan等人首先建立了基于積分球反射計法的脈沖加熱瞬態(tài)量熱裝置,用于包括材料發(fā)射率在內(nèi)的8個熱物性參數(shù)的測試。之后,意大利國家計量院的Righini等人也建立了類似的設(shè)備,并開始了與NIST 長達30多年的國際比對合作實驗,發(fā)表了大量文章。20世紀90年代以后,NI

11、ST的Cezairliyan等人又研制了偏振光反射計(DOAP用于瞬態(tài)量熱裝置中材料發(fā)射率測量,使該測量技術(shù)幾乎達到了完善的程度。近年來,日本NMIJ(原NRLM的Matsumoto、奧地利Graz科技大學(xué)、奧地利鑄造研究所等單位,引進了美國CRI的DOAP,建立了脈沖加熱熱物性測量裝置。2000年哈爾濱工業(yè)大學(xué)范毅等人也建立了基于積分球反射計法的脈沖加熱瞬態(tài)量熱裝置,并嘗試使用多波長輻射溫度計來直接測得材料的發(fā)射率和溫度。此方法的優(yōu)點是:設(shè)備相對簡單,測量速度快,測溫上限高(4000以上,可同時測量多項參數(shù),且測量精度較高;缺點是只能測量導(dǎo)體材料。1.2反射率法根據(jù)能量守恒定律及基爾霍夫定律

12、,只要將已知強度的輻射能投射到被測的不透明樣品表面上,并用戴景民等:光譜發(fā)射率測量技術(shù)711紅外與激光工程第38卷反射計測出表面反射能量,即可求得樣品的反射率,進而計算發(fā)射率。通常采用的反射計有熱腔反射計、積分球(拋物面、橢球面等反射計、鏡面反射計及測角反射計等。1.2.1熱腔反射計早在1962年Dunkle6等人就建立了熱腔反射計,這種方法的測量范圍通常為115m,有時可擴展到35m。該方法的精度在很大程度上取決于樣品溫度,而且必須大大低于熱腔壁的溫度,所以,這種方法不適于高溫測量。但由于此方法能測出樣品的光譜及方向發(fā)射率,樣品制備簡便,設(shè)備比較簡單,測試周期也較短,故仍得到一定的應(yīng)用。測量

13、精度在3%5%。1.2.2積分球反射計積分球反射計主要部分是一個具有高反射率的漫射內(nèi)表面積分球。工作原理是:被測樣品置于球心處,入射光從積分球開口處投射到樣品表面并反射到積分球內(nèi)表面上,經(jīng)過球面第一次反射即均布在球表面上,探測器從另一孔口接收球內(nèi)表面上的輻射能。然后以某一已知反射率的標準樣品取代被測樣品,重復(fù)前述過程。兩次測量輻射反射能之比即為反射率系數(shù),被測樣品的反射率即為此系數(shù)乘以標準樣品的反射率。積分球反射計法測量發(fā)射率的方法應(yīng)用廣泛,如意大利IMGC的Righini及哈爾濱工業(yè)大學(xué)范毅等人的脈沖加熱裝置中都采用了積分球反射計。2000年上海技術(shù)物理所葉家福等人介紹了他們多年一直采用橢球

14、法測量發(fā)射率。這種方法可以覆蓋相當寬的溫度范圍,溫度上限可達5000以上, 1.2.3激光偏振法20世紀90年代,美國NIST的Nordince博士提出利用激光偏振法測量棒狀試樣發(fā)射率的方法,裝置如圖2所示。Cezairliyan等人也利用該方法測量了幾圖2激光偏振發(fā)射率測量裝置Fig.2Laser polarization emissivity apparatus 種材料的發(fā)射率,測量精度優(yōu)于5%,測量時間小于0.3s,但只能測量光滑表面的材料發(fā)射率。1.3能量法能量法的基本原理是直接測量樣品的輻射功率,根據(jù)普朗克或斯忒藩-玻耳茲曼定律和發(fā)射率定義計算出樣品表面發(fā)射率值7。由于目前輻射的絕對

15、測量尚難達到較高精度,故通常采用能量比較法,即在同一溫度下用同一探測器分別測量絕對黑體及樣品的輻射功率,兩者之比就是材料的發(fā)射率值。從20世紀60年代開始,國內(nèi)外學(xué)者就開始了該方法的研究,探測器分別為無波段選擇的絕對輻射計、熱電堆、單個波段的光電探測器或分光光度計等,到近年來國內(nèi)外廣泛采用傅里葉分析光譜儀進行測量。優(yōu)點是測量的光譜范圍較寬,約為228m,溫度范圍為室溫至3000。1984年上海計量技術(shù)研究所的劉寶明等人采用分光光度計研制成功了發(fā)射率測量裝置,波長范圍2.525m;溫度范圍4001000;精度3%5%,測量時間(不含加熱時間為幾分鐘。20世紀90年代以來,由于傅里葉分析光譜儀的發(fā)

16、展和廣泛應(yīng)用,很多學(xué)者采用其構(gòu)成了光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)和裝置。圖3為日本NMIJ的測量裝置8。該發(fā)射率測量裝置采用了一個簡單的Michelson 干涉儀,光譜范圍512m,探測器為光伏型的HgCdTe;溫度范圍-20100;測量時間為幾秒。1992年,德國的Lindermeir等人利用傅里葉紅外光譜儀設(shè)計了一套能夠同時測量物體發(fā)射率和溫度(500K以下的裝置9,如圖4所示。該裝置測量的波長范圍是1.35.4m,光譜儀的最大分辨率是0.5cm-1。1994年Markham等人研制的10半橢球反射鏡反圖3日本NMIJ的測量裝置Fig.3Measurement apparatus of emissiv

17、itydesigned by NMIJ of Japan712第4期圖4Lindermeir等人設(shè)計的測量裝置Fig.4Measurement apparatus designed by Lindermeir,etc射計測量系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。該系統(tǒng)可以同時測量材料的光譜發(fā)射率和溫度,溫度測量范圍為502000,典型測量精度為5%,光譜測量范圍為0.820m,典型測試精度為3%。試樣直徑為10 40mm,試樣的有效直徑測量范圍為13mm。圖5半橢球反射鏡反射計測量系統(tǒng)原理圖Fig.5Measurement system of the semi螄ellipsoidal mirror ref

18、lector為了提高光譜發(fā)射率的測量精度和光譜測量范圍,1998年,Bauer等人在原有的棱鏡式單色儀測量發(fā)射率裝置基礎(chǔ)上又增加了利用傅里葉紅外光譜儀測量光譜發(fā)射率的部分11,該裝置的整體框圖如圖6所示。圖6Bauer等人設(shè)計的測量設(shè)備Fig.6Measurement equipment designed by Bauer,etc 該裝置的光譜發(fā)射率測試范圍為0.425m,溫度范圍為1001500,測量時間約1min,分辨率優(yōu)于0.2m。對陶瓷材料的光譜測量范圍為0.825m,溫度范圍為1001200,相對不確定度為5.8%左右。為了對試樣的半球全發(fā)射率進行測量,B.zhang 等人設(shè)計了一套

19、基于傅里葉紅外光譜儀的測量裝置12,如圖7所示。該裝置的波長測量范圍為0.6 9.6m,溫度范圍為4001000K,測試環(huán)境溫度范圍為0300K。圖7B.Zhang等人設(shè)計的測量裝置Fig.7Measurement equipment designed by B.zhang,etc美國賓夕法尼亞大學(xué)的Modest等人研制的基于傅里葉紅外光譜儀的光譜發(fā)射率測量裝置也很新穎13,其光譜測量范圍為120m,溫度上限可以達到1550,裝置結(jié)構(gòu)如圖8所示。圖8Modest測量裝置Fig.8Measurement apparatus designed by Modest戴景民等:光譜發(fā)射率測量技術(shù)713紅

20、外與激光工程第38卷美國NIST最近研制了集成式熱輻射性能測試系統(tǒng)14,如圖9所示。此套集成式測試系統(tǒng)采用傅里葉紅外光譜分析技術(shù)可以對各種黑體源和材料的光譜發(fā)射率進行測試評價,現(xiàn)階段該系統(tǒng)所覆蓋的光譜范圍為120m,測量溫度范圍為6001400K,主要對透明材料進行測量。圖9NIST紅外光譜發(fā)射率測試系統(tǒng)Fig.9Measurement system of NIST infrared spectrum emissivity2004年筆者采用傅里葉光譜儀建立了寬光譜范圍和溫度范圍的發(fā)射率測量裝置15,如圖10所示。傅里葉光譜儀采用了MCT和Si探測器,使光譜范圍從0.6m可以擴展到25m。采用了

21、石墨直接加熱技術(shù),使試樣溫度可以控制在601500內(nèi)。配置了兩個參考黑體爐:高溫黑體(5001500和低溫平面黑體(60500,并對測量系統(tǒng)的雜散輻射和非線性進行了校正和補償。近日,又與航天材料與工藝研究所合作正在研制溫度上限可以達到2400的高溫材料發(fā)射率測量裝置。圖10作者研制的發(fā)射率測量裝置Fig.10Measurement apparatus designed by author在實際應(yīng)用中,人們還常常采用整體黑體法和轉(zhuǎn)換黑體法測量材料的發(fā)射率,即在試樣上鉆孔或加反射罩,使被測材料變?yōu)楹隗w或逼近黑體,進行材料發(fā)射率的在線測量,如圖11、12所示。圖11整體黑體原理圖Fig.11Sche

22、matic diagram of the whole black body圖12轉(zhuǎn)換黑體原理圖Fig.12Schematic diagram of the conversion black body1.4多波長法多波長法16是20世紀70年代末、80年代初興起的一種新的同時測量溫度和光譜發(fā)射率的方法,其原理是通過測量目標多光譜下的輻射信息、假定發(fā)射率和波長關(guān)系模型及理論計算,得到溫度和光譜發(fā)射率數(shù)據(jù)。該方法的最大優(yōu)點是:不需要特制試樣,測量速度快,可以在現(xiàn)場進行測量,測溫上限幾乎沒有限制。但是由于其理論還不夠完備,其測量精度還不高,算法對材料的適用性較差,目前,還沒有一種算法可以適應(yīng)所有的材料

23、。由于前述優(yōu)點,該方法會成為未來研究的主要方向。國內(nèi)外學(xué)者在多波長測溫理論、儀器研制及應(yīng)用研究等方面作了大量的工作,取得了世界矚目的研究成果。現(xiàn)在的儀器水平為:(1溫度范圍常溫5000;(2波長數(shù)435;(3波長范圍0.51.1m、13m; 814m;(4發(fā)射率測量精度5%左右。哈爾濱工業(yè)大學(xué)在多波長高溫計儀器研制、理論研究及應(yīng)用研究方面,均達到了世界領(lǐng)先水平。714第4期 戴 景 民 等 ：光 譜 發(fā) 射 率 測 量 技 術(shù) 715 Bureau of Standards, Section A, Physics and Chemistry , 2 應(yīng) 用 近年來有大量的文獻描述實際應(yīng)用場合下

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32、nd application J.Journal of Infrared and Millimeter Waves,1995,14(6:461-466.(in Chinese (1 空 間 目 標 ：衛(wèi) 星 表 皮 、窗 口 材 料 、光 學(xué) 鏡 面 等 ， 主要解決空間目標的識別和熱控問題。 (2 軍 事 目 標 ：導(dǎo) 彈 的 火 焰 與 蒙 皮 、發(fā) 射 車 、坦 克 、 飛 機 等 ，主 要 解 決 紅 外 制 導(dǎo) 和 隱 身 問 題 。 (3 遙 感 目 標 ：地 面 、海 洋 、森 林 等 ，主 要 解 決 資 源 探 測 、災(zāi) 情 預(yù) 報 等 問 題 。 (4 民 用 領(lǐng) 域 ：紅 外 加 熱 、物 品 烘 干 、醫(yī) 學(xué) 理 療 等 ， 直接關(guān)系到人民日常生活和身體健康。 3 結(jié)束語 材料