傅立叶红外光谱仪的材料光谱发射率测量技术

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1、哈尔滨工业大学工学博士学位论文第2章基于傅里叶红外光谱仪的光谱发射率测量装置的研制2.1测量原理热辐射是一种电磁波，光谱范围一般指0.2μm~20μm，其中包括可见光。对热辐射及其传播特性的研究表明，用五个参数全面表述辐射源、材料和辐射探测器的特性是比较合理的。即辐射的功率水平、空间分布、光谱分[57,86-88]布以及辐射的瞬时特性和偏振特性。其中后两项特性对一般辐射源而言是不必考虑的，所以描述材料表面的辐射特性只需考虑前面三个参数。根据普朗克定律(Planck)，处于热力学温度T的绝对黑体，其单位面积上的光谱辐射功率为−5Cλ1W=(2-1)

2、bλexp⎡⎣CT2()λ⎤⎦−1-62-2式中C1=3.740832×10Wm为第一辐射常数，C2=1.438786×10mK为第二辐射常数。显然，该黑体单位面积上总辐射功率为WW=dλ，这一结bb∫λ果表示为斯忒蕃—玻尔兹曼定律(Stefan-Botzmann)4WT=σ(2-2)b-8-2-4式中σ=5.6697×10WmK为斯忒蕃—玻尔兹曼常数。绝对黑体辐射的方向分布遵从朗伯余弦定律(Lambert)，即沿各方向的辐射亮度Lbλ均相等。LL(θ)=(n)(2-3)bbλλ式中θ为辐射方向同表面法线间的夹角，n即表示法线方向。因此普朗克定律

3、又可以表示为-26-第2章基于傅里叶红外光谱仪的光谱发射率测量装置的研制−−15πλC1L=(2-4)bλexp⎡⎣CT2()λ⎤⎦−1若同样在温度T下，某一物质表面相应的辐射参量分别是Wλ、W和Lλ(θ)，则定义材料表面的光谱发射率为Wλε=(2-5)λWbλ全发射率为Wε=(2-6)Wbθ方向上的方向发射率为Lλ(θ)εθ()=(2-7)λLbλ()θ法向发射率为Lnλ()ε()n=(2-8)λLnbλ()须注意，式(2-5)、(2-6)中诸W值是在半球空间(2π立体角内)计算的。并不涉及辐射的方向分布，故又称之为半球发射率，记为εh。顺便说

4、明，在研究空腔的辐射特性时，针对空腔或腔壁上某面元的有效辐射(其自身辐射(自由辐射)与入射辐射的反射之和)又定义了若干不同的发射率概念。在一定温度范围和一定波长区间内，许多材料可以近似为灰体。对于漫发射材料，即其方向分布符合朗伯余弦定律的材料，(发射率ε是由材料性质(M)、表面状况(σ)、温度(T)、波长(λ)以及辐射方向(θ)等因素决定的)，可以表为ε=εσλ(MT,,,,θ)(2-9)对于灰体，ε与波长无关，即在任何波长下都有ε=ε(2-10)λ有关系式ε=εε=(2-11)hnθ一般材料(无论金属还是非金属)，在法线周围50°~60°范围内

5、的辐射能-27-哈尔滨工业大学工学博士学位论文大体服从余弦分布规律，所以漫发射体的假定是实际材料的较好近似。显然材料发射率的测量应根据具体问题的要求(例如不同种类的材料，不同的温度范围，不同波段等等)而采用不同的方法。根据光谱发射率的定义式(2-5)，光谱发射率可以通过测量同温度下试样和黑体的辐射能，并将二者相比而得到。但是在实际设计中远非如此简单，需要考虑环境、背景等诸多因素，本文即将对此作深入的研究。2.2总体设计要同时测量同温度下试样和黑体的辐射能，测量系统中就要有可以精确温度控制的试样加热装置和黑体炉系统，还必须有将辐射能送入辐射能测量[

6、89-91]系统的光学系统及辐射能测量系统。测量原理框图如图2-1所示。同时测量试样和黑体的辐射能需要两个辐射能测量系统，增加了产品的造价，本文采用切换的光学系统，分别将试样和黑体的温度送入辐射能测量系统。试样加试辐热系统样射计光能算学测机系量系统参考黑体系统统真空、恒温腔体图2-1测量原理框图Fig.2-1Blockdiagramofmeasuringprinciple2.2.1辐射能测量系统辐射能测量装置有很多，但是它们有自己的特点和应用的领域，从测量[92,93]发射率系统来说，常用的辐射能测量系统有这样几类：(1)辐射计类；(2)高温计类

7、；(3)分光光度计类；(4)光谱仪类。它们的优缺点及适用范围的比对如表2-1所示。-28-第2章基于傅里叶红外光谱仪的光谱发射率测量装置的研制表2-1用于发射率测量的辐射能测量设备比较表Table2-1Comparingofradiationmeasurementequipmentswhichmeasureemissivity种类技术特性特点典型设备辐射计类测量的是全波长总辐使用简单、造价射能低、速度较慢，只能测量全波长发射率高温计类只能测量某个带宽内设备简单、造价较硅光电高温计的辐射能低、速度快、可测量波带内的发射率分光光度计类可以在较宽的光谱

8、范设备复杂、使用麻红外分光光度计围内进行扫描，测量烦、速度慢、可测各个光谱下的辐射能量一定光谱范围内的光谱分布光谱仪类可以快速测量较宽光