热辐射测量系统

1、第3章 热辐射测量系统u 1. 辐射测量系统的分类 u 2. 辐射测量的基本仪器u 3. 辐射测量系统的性能及其测量3.1 辐射测量系统的分类 本质：光学-电子系统，用于接收波长为0.31000mm的电磁辐射。基本功能将红外辐射转换为电信号，然后利用它去达到某种实用目的（如辐射大小、温度）。习惯上把测量系统分为以下几类：u（1）按功能分：测辐射热计、红外光谱仪、搜索系统、跟踪系统、测距系统、警戒系统、通讯系统、热成像系统和测温仪等；u（2）按工作方式分：主动和被动系统、单元和多元系统、光点扫描系统及调制盘扫描系统、成像和非成像系统；u（3）按应用领域分：军用和民用系统；u（4）按探测器元件数分

2、：被动式红外系统可分为第一代、第二代和第三代系统。红外测量系统u第一代：建立在单元或多元探测器基础上，采用传统的光机扫描；u第二代：采用多元焦平面阵列器件。元件数达到103，图像质量可与现代电视系统相比拟，但其中还有某种光机扫描部件；u 第三代：焦平面的元件足够多，可覆盖整个视场，由电子扫描代替光机扫描，称为“凝视”系统。目标大气衰减光学接收调制编码探测器制冷机显示信息处理控制装置积分球：常和光源、探测器装在一起，作为理想漫射光源和匀光器，广泛用于辐射测量。基本结构：由铝或塑料等做成的一个内部空心球，内壁均匀喷涂多层中性漫射材料，如MgO、BaSO4、聚四氟乙烯等。球上开有多个孔，作为入射光孔

3、、安装探测器、光源等用，为防止入射光直射探测器上，球内还装有遮挡屏。 3.2 辐射测量系统的基本仪器3.2.1 积分球P.163 图6-5假设：有一束入射辐射通量照在积分球内表面A上，分析不在A处的某一表面元dA的辐照度。3.2.1 积分球/AALE0222444AdAdAdddELdARRR002244EdEdRR 002244dAEdELdARR3.2.1 积分球00(1)nniiiiiff20000022444sEEEdEdARERR 2000021114EEEEER214ER00niif实际应用需要考虑的问题：u 球内的遮挡屏与物：使积分球实际工况偏离理想球。增大球尺寸，可相对减少遮挡

4、屏和物的影响。遮挡屏应涂上和积分球内表面相同的涂层。u 涂层：涂层的光谱反射比对积分球出射光的光谱特性有很大影响。光谱辐照度应写成：3.2.1 积分球2( )( )( )1( )4ER ( )1( )( )1( )( )EE 当反射比等于0.98时，照度的相对变化率约为反射比相对变化的50倍。当积分球和探测器与光源一起工作时，应作为一个整体来考虑其光谱特性。u 要求高的涂层反射比主要是为了增加出射窗处的辐照度值；u 当出射窗的辐照度要求不强，而要求辐照度的时间稳定性好时，可用发射比较低的涂层；u 当积分球工作在中远红外谱段时，由于BaSO4等在波长大于2.5mm时，反射比下降很快，所以用作涂层

5、材料性能很差。S在3-12mm平均反射比为0.94。3.2.1 积分球出射窗口：应用无选择性的透明材料。尺寸与积分球应当有一定的比例。1%均匀性，比例小于1/10。3.2.2 单色仪定义：将具有宽谱段辐射的光源分成一系列谱线很窄的单色光，既可以作为一个可调波长的单色光源，也可作为分光器。原理：利用色散元件（棱镜、光栅等）对不同波长的光具有不同色散角的原理，将光辐射能的光谱在空间分开，并由入射狭缝和出射狭缝的配合，在出射狭缝处得到所要求的窄谱段光谱辐射。应用：单色仪作为独立的仪器使用时，可用于物体的发射、吸收、反射和透射特性的分光辐射测量和光谱研究，也可用于各种探测器的光谱响应测量。若把单色仪与

6、其他体系组合在一起，则可构成各种光谱测量仪器，如红外光谱辐射计和红外分光光度计等。实质：实质：将由不同波长的将由不同波长的“复合光复合光”分开为一系列单一分开为一系列单一 波长的波长的“单色光单色光”的器件。的器件。 理想的理想的100%的单色光是不可能达到的，实际上只能获的单色光是不可能达到的，实际上只能获得的是具有一定得的是具有一定“纯度纯度”的单色光，即该单色光具有的单色光，即该单色光具有一定的宽度（有效带宽）。有效带宽越小，分析的灵一定的宽度（有效带宽）。有效带宽越小，分析的灵敏度越高、选择性越好、分析物浓度与光学响应信号敏度越高、选择性越好、分析物浓度与光学响应信号的线性相关性也越好

7、。的线性相关性也越好。3.2.2 单色仪构成：狭缝、准直镜、棱镜或光栅、会聚透镜。构成：狭缝、准直镜、棱镜或光栅、会聚透镜。 入射狭缝入射狭缝准直镜准直镜物镜物镜棱镜棱镜焦面焦面出射狭缝出射狭缝f入射狭缝入射狭缝准直镜准直镜光栅光栅物镜物镜出射狭缝出射狭缝f其中最主要的分光原件为棱镜和光栅。其中最主要的分光原件为棱镜和光栅。 棱镜（棱镜（PrismPrism）：）：制作：制作： 棱镜的色散作用是基于构成棱镜的光学材料棱镜的色散作用是基于构成棱镜的光学材料对不同波长的光具有不同的折射率。波长大的折射率对不同波长的光具有不同的折射率。波长大的折射率小，波长小的折射率大。小，波长小的折射率大。Cor

8、nu棱镜棱镜 b Littrow棱镜棱镜（左旋（左旋+右旋右旋-消除双像）消除双像） （镀膜反射）（镀膜反射）光栅光栅制作：制作：以特殊的工具（如钻石），在硬质、磨光的光以特殊的工具（如钻石），在硬质、磨光的光 学平面上刻出大量紧密而平行的刻槽。以此为学平面上刻出大量紧密而平行的刻槽。以此为 母板，可用液态树脂在其上复制出光栅。制作母板，可用液态树脂在其上复制出光栅。制作 的光栅有平面透射光栅、平面反射光栅及凹面的光栅有平面透射光栅、平面反射光栅及凹面 反射光栅。刻制质量不高的光栅易产生散射线反射光栅。刻制质量不高的光栅易产生散射线 及鬼线（及鬼线（Ghost lines）。）。 通常的刻线数

9、为通常的刻线数为300-2000刻槽刻槽/mm。最常用的是。最常用的是1200-1400刻槽刻槽/mm（紫外可见）及（紫外可见）及100-200刻槽刻槽/mm（红外）。（红外）。 狭缝（狭缝（SlitSlit）构成：构成：狭缝是两片经过精密加工、具有锐利边缘的金狭缝是两片经过精密加工、具有锐利边缘的金 属组成。两片金属处于相同平面上且相互平行。入射狭缝属组成。两片金属处于相同平面上且相互平行。入射狭缝可看作是一个光源，在相应波长位置，入射狭缝的像刚好可看作是一个光源，在相应波长位置，入射狭缝的像刚好充满整个出射狭缝。充满整个出射狭缝。光栅光谱仪光谱分析通用设备，可以研究诸如氢氘光谱，钠光谱等元

10、素光谱（使用元素灯作为光源），也可以作为更为复杂的光谱仪器的后端分析设备，比如激光喇曼/荧光光谱仪。 光栅光谱仪多功能光栅光谱仪光路图光栅及反射镜光栅由步进电机驱动，由计算机软件驱动，可以获得较高的精度。 反射镜 1 将由入射狭缝进入的光线反射到准光镜上。 反射镜 2 离开光路时，物镜上射来的光线直接进入出射狭缝到光电倍增管，而当反射镜 2 进入光路时，出射光 线被反射到 CCD 接收器。 光栅光谱仪多功能光栅光谱仪内部结构 光栅光谱仪接收设备 ( 光电倍增管 /CCD) 3.2.3 傅里叶分光仪FTIR光谱分析仪光谱分析仪- 6100（JASCO ）定义：利用干涉的方法，并经过傅立叶变换而获

11、得红外光谱的仪器。（1）扫描速度极快：）扫描速度极快：一次完整扫描据需要为8、15、30s等。（2）具有很高的分辨率：）具有很高的分辨率：分辨率达0.10.005 cm-1。（3）灵敏度高：）灵敏度高：可检测10-8g数量级的样品。（4）波数准确度高：）波数准确度高：可达0.01 cm-1的测量精度。（5）光学部件简单：）光学部件简单：只有一个可动镜。（6）多通路：）多通路：所有频率同时测量。FTIR的特点：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 工作过程工作过程 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 傅里叶变换红外光谱仪结构框图傅里叶变换红外光谱仪结构框图干涉仪干涉仪光源光源样品室样品室检测器检测器显示器显示器绘图仪绘图仪计算机计算机干涉图干涉图光谱图光谱图FTS傅里叶变换红外光谱仪简介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标准聚乙烯薄膜0 100 20 40 60 80 4000 400 2000 1000 %T%T Wavenumbercm-1Wavenumbercm-1 1 .气体样品气体样品 气态样品可在玻璃气槽内进行测定，它的两端粘有红外透光的NaCl或KBr窗片。先将气槽抽真空，再将试样注入。 2 . 液体和溶液试样液体和溶液试样 （1）液体池法）液体池法 沸点较低，挥发性较大的试样，可注入封闭液体池中，液层厚度一般为0.011mm。 （2）液膜法）液膜法 沸点较高的试样，直接直接滴在两片盐片之间，形成液膜。 3 . 固体试样固体试样 （1）压片法）压片法 将12mg试样与20

20、0mg纯KBr研细均匀，置于模具中，用（510）107Pa压力在油压机上压成透明薄片，即可用于测定。试样和试样和KBr都应经干燥处理，都应经干燥处理，研磨到粒度小于2微米，以免散射光影响。 （2）石蜡糊法）石蜡糊法 将干燥处理后的试样研细，与液体石蜡或全氟代烃混合，调成糊状，夹在盐片中测定。 （3）薄膜法）薄膜法 主要用于高分子化合物的测定。可将它们直接加热熔融后涂制或压制成膜。也可将试样溶解在低沸点的易挥发溶剂中，涂在盐片上，待溶剂挥发后成膜测定。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) 近红外光谱区的透光材料：近红外光谱区的透光材料：石英、玻璃石英、玻璃 (2) 远红外光谱区的透光材料：远红外光谱区的透光材料：KBr、聚乙烯膜或颗粒、聚乙烯膜或颗粒 (3) 样品池

24、的类型：样品池的类型：固定池、可拆池、可变厚度池、微量池、气体池固定池、可拆池、可变厚度池、微量池、气体池固定固定可拆池可拆池气体池气体池橡胶垫橡胶垫窗片窗片前后框架前后框架汞剂化铅间隔片汞剂化铅间隔片样样品品进、进、出出口口前后框架前后框架窗片窗片橡胶垫橡胶垫汞剂化铅间隔片汞剂化铅间隔片窗片窗片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 测量系统的性能及其测量仪器的标定理想的测量系统：u 在所测量的光谱范围内，系统具有均匀的光谱响应，在响应光谱范围之外的光谱响应为0，即测量系统具有理想的光谱带宽响应；u 在所要求测量动态范围内，系统具有线性响应，即输出信号和待测辐射量之间成正比；u 在测量视场内，各视场角能接收等量的辐射能，而在测量视场外，射入系统的杂散光不能到达探测器表面，即系统具有理想的视场响应；u 测量系统的响应不受入射光偏振程度的影响。辐射测量概念简介u 入瞳尺寸u 标定源u 通光面积u 光学系统u视场角3.3.1 测量系统的响应度3.3.1.1 远距离小光源法20(

28、 ) ( )AELdl 有效发光面积标定光源的光谱辐亮度采用准直系统2/EIfaEaVVVREEE消除背景影响3.3.1.2 远距离面光源法u 标定时面光源对仪器的张角一般应大于仪器视场的4倍采用积分球和大面积低温黑体当面光源00( ) ( )LVVRLLd 该方法不必知道待标仪器的视场角和入瞳面积3.3.1.3 近距离面光源法同远距离面光源法类似，但面源可以做的很小。u 原理：标定光源放在待标定仪器入瞳附近，而标定光源的尺寸要比仪器入瞳口径小得多。2sccALALAf 3.3.1.4 近距离小光源法（琼斯法）2sspAL Af 222sccsspsppfA AfALLLA AA AAfcLpV ARL A缺点00( ) ( )( )LLRLdRLdmax( )( )LRRR0max0( ) ( )( )LRLdRRLd3.3.1.4 近距离小光源法（琼斯法）光谱响应度00( )( )( )( ) ( )LLR RLdRRLd相对光谱响应（归一化）u 要求：尽可能平坦的光谱响应u 光谱泄漏：在离工作谱段较远的波长区，出现次响应谱段，并可延伸到相对宽的波长范围，在工作波段以外的响应度叫做。u 带宽归一化法：用等效理想矩形带宽代替系统实际光谱响应称为。表示在一定条件下，使用理想响应在测量结果上等效于实际测量系统的响应。3.3.2 测量系统的光谱响应图 7-83.3.