热辐射测量系统

第3章热辐射测量系统1.辐射测量系统的分类

2.辐射测量的基本仪器

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0.3~1000mm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：（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；（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；（3）按应用领域分：军用和民用系统；（4）按探测器元件数分：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；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；

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、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3.2.1积分球实际应用需要考虑的问题：

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，可相对减少遮挡屏和物的影响。遮挡屏应涂上和积分球内表面相同的涂层。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。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；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；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：将由不同波长的“复合光”分开为一系列单一波长的“单色光”的器件。理想的100%的单色光是不可能达到的，实际上只能获得的是具有一定“纯度”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。3.2.2单色仪构成：狭缝、准直镜、棱镜或光栅、会聚透镜。

入射狭缝准直镜物镜棱镜焦面出射狭缝f入射狭缝准直镜光栅物镜出射狭缝f其中最主要的分光原件为棱镜和光栅。

棱镜（Prism）：制作：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。波长大的折射率小，波长小的折射率大。Cornu棱镜bLittrow棱镜（左旋+右旋----消除双像）（镀膜反射）光栅制作：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反射光栅。刻制质量不高的光栅易产生散射线及鬼线（Ghostlines）。

通常的刻线数为300-2000刻槽/mm。最常用的是1200-1400刻槽/mm（紫外可见）及100-200刻槽/mm（红外）。

狭缝（Slit）构成：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。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-6100（JASCO

）定义：利用干涉的方法，并经过傅立叶变换而获得红外光谱的仪器。（1）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：分辨率达0.1~0.005cm-1。（3）灵敏度高：可检测10-8g数量级的样品。（4）波数准确度高：可达0.01cm-1的测量精度。（5）光学部件简单：只有一个可动镜。（6）多通路：所有频率同时测量。FTIR的特点：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]工作过程

InterferometerMeasurement:InterferogramFouriertransformprocessLightsourceInterferometerSamplechamber

DetectorElectricalsystemcircuitsComputer

InfraredlightInterferencewavesAbsorption(Interferogram)Opticalsignal

↓Electricalsignal

Signalsampling

Analogsignal

↓

DigitalsignalFouriertransform

↓IRspectrumSpectroscope

Spectroscope

傅里叶变换红外光谱仪结构框图干涉仪光源样品室检测器显示器绘图仪计算机干涉图光谱图FTS傅里叶变换红外光谱仪简介组成结构框图及工作原理检测器迈克尔逊干涉仪吸收池数据处理仪器控制光源傅里叶变换干涉图FourierTransformInfraredSpectrometer

FT-IR分束器红外吸收光谱图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-比尔定律标准聚乙烯薄膜0

100

20

40

60

80

4000

400

2000

1000

%T

Wavenumber[cm-1]

1.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（1）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0.01~1mm。（2）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（1）压片法将1~2mg试样与200mg纯KBr研细均匀，置于模具中，用（5~10）107Pa压力在油压机上压成透明薄片，即可用于测定。试样和KBr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。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)近红外光谱区的透光材料：石英、玻璃

(2)远红外光谱区的透光材料：KBr、聚乙烯膜或颗粒

(3)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气体池橡胶垫窗片前后框架汞剂化铅间隔片样品进、出口前后框架窗片橡胶垫汞剂化铅间隔片窗片试样气体气泵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测量系统的性能及其测量—仪器的标定理想的测量系统：

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；

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；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；

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

入瞳尺寸标定源通光面积光学系统视场角3.3.1测量系统的响应度3.3.1.1远距离小光源法有效发光面积标定光源的光谱辐亮度采用准直系统消除背景影响3.3.1.2远距离面光源法

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。

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。3.3.1.4近距离小光源法（琼斯法）缺点3.3.1.4近距离小光源法（琼斯法）光谱响应度相对光谱响应（归一化）

要求：尽可能平坦的光谱响应

光谱泄漏：在离工作谱段较