材料发射率是表征材料表面辐射特性的物理量

材料光谱发射率的测量方法的研究总结摘要:本文主要系统介绍了目前材料光谱发射率的测量方法（黑体法，红外傅里叶光谱法，多波长法），在社会上的应用，展望了发射率测量技术的目前存在的问题及发展趋势。关键字：发射率测量方法傅里叶光谱多波长引言：光谱发射率是衡量热辐射体辐射本领的重要依据之一，研究和测量材料发射率对于揭示材料的热辐射特性、提高辐射加热效率、寻找节能新途径都有重要的现实意义。材料表面发射率与材料组分和结构、表面温度、表面粗糙度等许多因素有关。发射率的测量依赖于表面温度的精确测定，由于接触法测温一方面会改变物体表面温度场的分布从而带来一定的测量误差，另一方面温度传感器和待测表面接触的紧密程度也会影响测量结果的精度1,所以要提高发射率的测量精度必须首先解决好表面温度的精确测定问题。[1]为了能够清楚地看出发射率与波长的关系，高温状态下的光谱发射率的测试，对研究光谱选择性辐射表面的材料和涂层尤为重要。因此连续光谱发射率的准确测量.一直是世界各国普遍关注的焦点。测量方法「飯腔夜府计"i「飯腔夜府计"i和莎理反射厂独立黒饰法一红外傅!輩叶光亟「睡必黑椁法■暮檢黑嶽—筋浚长法[2]2.1谱辐射线性度分析双温黑体法[3-5]光谱辐射测量系统线性度反映出测量装置对单色辐射能量的响应情况。材料光谱发射率的测量建立在线性度良好的前提上。本文提出双温黑体法，即采用另一个同样的黑体辐射源替代测量装置中样品加热器的位置，模拟发射率测量状况进行测量来验证测量系统的线性度。采用两个黑体和统计测量的方法消除黑体本身漂移带来的影响，而且可以在不同信号大小情况下验证线性度。两个黑体采用ISOTECH976黑体炉,其空腔尺寸为①65mmX200mm,工作温度范围为30(室温为20°C时)〜550°C,控温稳定性＜0.2C,空腔有效发射率＞0.995。黑体测温用标准铂电阻温度计在中国计量科学研究院标定。两个黑体的温度分别设置为Tb1,和Tb2,以产生不同大小的黑体辐射。黑体辐射信号比为Rb,环境温度为Tam。,且假设黑体炉发射率为1。当不同大小的两个黑体辐射信号，根据测量原理式(3)以及普朗克定律，得到测量系统的线性度为：B(入、T歸)-lx讥入■, )假设两个黑体在各波段的有效辐射随温度的变化一样，则当黑体温度相同时，测量电压比信号R6应为1；当黑体温度不同时，根据式(4)贝血也应为1。M越接近1,测量系统的线性度就越好。本文分别设置两个黑体温度，在不同的温度点，即不同的辐射信号比条件下验证了测量系统的线性度，见表1。表1 各温度点测豎蔡统线性度验证/pm2468101215斑0.02390.1240.2220.2850.3240.3510.2881.2W1.0171.0311.0291.024L0240.786碍0.03070.164■,r；1：3?or:1^:2001：0.285O.3fi40.4130.4460.370M1.0901+0151.0111.008L0061.0060.784隔0-06860.250T61：550V；T^J50C0.3790.4590.5060.5360.4541.060L0091.0031,0041.0031.003O.M碍0.3130.548：550V；r,2：45or0.6550.7110.7420.7600.7051,0170*9981.001hOOO1.001如表1所示，当黑体设定温度不同，即被测辐射体辐射信号不同时（替代样品的黑体温度设定低于原参考黑体），电压比Rb显著小于1,而且波长越小，偏差越大，说明黑体光谱信号在短波长附近对温差的影响较敏感，M大多数情况下约为1表明线性度良好，而且当辐射信号比越大越接近于1,即两黑体温差相对越小，测量系统的线性度越好。实际测量中由于通常测量样品为发射率较高的材料，被测样品与黑体辐射源的信号比大部分在0.5以上，与线性度实验中情况相比更加接近于1。因此实际测量材料发射率时，测量系统非线性的影响明显好于验证实验。值得注意的是，在测量波长的两端，即2000nm和15000m附近，出现明显的偏差。2000nm附近结果大于1，而15000nm附近小于1。15000nm出现的结果明显小于1的情况，分析证明被测的辐射信号受到截止滤光片在15000nrn附近漏过的二级光谱辐射的影响而增大。通过修正，15000nm处光谱辐射线性度良好。而且7000nr11处截止滤光片透射比约为0.002，7000m以下截止滤光片影响可以忽略。2000m出现的线性度结果明显大于1的问题，分析是由于受到杂散辐射影响。在本文实际测量的样品发射率条件下，测量系统非线性对发射率测量的信号比的影响很小，大多数测量条件下可以忽略。同时采用双单色仪或增加必要数量的带通滤光片，可显著减小到达探测器的杂散辐射通量。米用短波光谱响应度高、中长波光谱响应度低的探测器也可减小杂散辐射对探测器输出的影响。2.2能量法[6-8]基本原理是直接测量样品的辐射功率，根据普朗克或斯忒藩一玻耳兹曼定律和发射率定义计算出样品表面发射率值。由于目前辐射的绝对测量尚难达到较高精度，故一般均采用能量比较法，即在同一温度下用同一探测器分别测量绝对黑体及样品的辐射功率，两者之比就是材料的发射率值。”从上世纪60年代开始，国内外学者就开始了该方法的研究.探测器分别为无渡段选择的绝对辐射计、热电堆或单个渡段的光电探测器、分光光度计等，到近年来国内外广泛采用的傅里叶分析光谱仪进行测量。电予證臂电予證臂图2激光偏振发射率测量仪CCD—监视器；PSC—偏振发生器；PSD—偏振检测器；DL-激光二极管；Pol—偏振器；L-透镜；S—样品；BPF一带通滤光片；PBS-薄膜束器；GTP-托马斯棱镜;F-光纤；ID-虹膜光阑；FS-视场光阑1984年上海计量技术研究所的刘宝明等人采用分光光度计研制成功了发射率测量装置，波长范围为2.5〜25gin；温度范围为400一1000°C；精度为3%一5%，测量时间（不含加热时间）仅需几分钟。90年代以来，由于傅里叶分析光谱仪的发展和广泛应用，很多学者采用傅里叶分析光谱仪构成光谱发射率测量系统和装置。图3示出了日本NMIJ的基于傅里叶分析光谱仪的发射率测量装置。

图3 日本NMU的基于傅里叶分析光谱仪的发射率测量装置.该发射率测量装置采用了一个简单的Michelson干涉仪，光谱范围为5〜12um,探测器为光伏型的HgCdTe；温度范围为一20—100°C；测量时间约几秒。2004年作者采用傅里叶光谱仪建立了宽光谱范围和温度范围的发射率测量装置，见图4。傅里叶光谱仪采用了MCT和Si探测器，使光谱范围从0.6um扩展到25pm。采用了石墨直接加热技术，使试样温度可以控制在60—1500C范围内。配置了两个参考黑体炉：高温黑体(500—1500C)和低温平面黑体(60—500C)对测量系统的杂散辐射、非线性进行校正和补偿。图4作者研制的发射率测量装置原理图主要技术指标：温度范围为50—1600C；光谱范围为0.6—25pan；测量精度为3%；测量时间为几秒；试样为粒子、气体、块材料。基于傅里叶分析光谱仪的能量法是近年来主要的发展方向，也代表了发射率测量的最高水平。目前该方法可以达到的技术指标：测量的温度范围从一20C到2000C，测量波段从可见光到25um以上，测量时间在1—3s,测量精度优于3%。2.3多波长法[9-10]多波长测温法是利用多个波长下的物体辐射亮度测量信息，经过数据处理得到物体的真实温度及光谱发射率。由普朗克定律可知，对于有n个通道的多波长温度计来说，可以得到n个方程，却包含（n+1）个未知量，即目标真温T和n个光谱发射率£（入i,T）。因此，必须假设光谱发射率与波长之间存在着某种函数关系，否则方程组无解。在多波长辐射测温领域常假设光谱发射率随波长的变化而变化［2］，其中一个常用的假设方程如下式所示：lns（X,T）=a+bX基于上述假设方程，可通过最小二乘法计算出目标真温及光谱发射率［2］。当被测目标光谱发射率随波长变化的真实情形与假设方程相符时，通过计算得到的真温及发射率数据相当精确；但当二者不相符时，得到的计算结果偏差相当大［3］。当对某种未知材料进行测量时，事先并不知道此种材料的光谱发射率与波长之间属于哪种函数关系，因此采用任何形式的假设方程进行多光谱温度计的数据处理都是盲目的、不科学的。鉴于上述原因，认为应该仔细研究各种被测材料的内在特性，努力找出他们之间的共性才是解决问题的关键。通过分析，材料的光谱发射率随温度的变化而变化是客观存在的，同时受到处理非线性问题时常常要分段线性化的启发，考虑到在0.7~1.0^m很窄的波段范围内以及2ms为一个测量周期进行连续的测量，假设材料的光谱发射率在所选定的波长处与温度有近似相同的线性关系，如下式所示：碣=左沁卩+氏（丁—对）］式中：£iO是波长为入i、温度为TO时的光谱发射率；T0为某个初始温度。对于实际物体来说，上述假设在一定温区，一定波长范围内是普遍成立的。此处提出的算法原理如下：1） 通过第1个温度处各测量通道的输出值以及第1个温度的估计值，由计算获知第1个温度处的各光谱发射率的估计值。2） 使第1个温度处通过计算获得的各光谱发射率的估计值在某一范围内变化。3） 通过假设方程式（2）可获知第2个温度处各光谱发射率的计算值。4） 对于第2个温度处不同组的光谱发射率，可以计算出不同组的各波长下的真实温度。当其中某一组各波长下的真实温度的方差最小时，即为所求的第2个温度处的真实温度。因为只有当假设方程式(2)与被测目标的真实情形相接近或一致时，各波长下真实温度的计算值才会趋近于同一数值。进而可获知第2个温度处各光谱发射率，第1个温度处各光谱发射率以及第1个温度处的真实温度。其算法详细介绍如下：如果多波长高速温度计有n个通道，则第i个通道的输出信号Vi可表示为$72,…/式中：Ai是只与波长有关而与温度无关的检定常数，它与该波长下探测器的光谱响应率、光学元件透过率、几何尺寸及第一辐射常数有关。在某定点黑体参考温度TR下，第i个通道的输出信号ViR为=山疔exp(—,此时虽=10由式(3)和式(4)可得：记Vil为第1个温度下、第i个通道的输出信号，TO为第1个温度的估计值,则第1个温度下、第i个波长处发射率的估计值e10为选择：人”1.肓心„丨匚一5■札十“，.「u屮，订匚一.则第2个温度T处的发射率模型为r.=£.L[l+A(T-7；)]由于对不同的i可求出不同的T,故用Ti2表示第2个温度下入i处的计算温度值，则由式⑸可得：A6 ^2式中：Vi2为第2个温度下，第i个通道的输出信号。由式(7)和式(8)可得：爲日丄十卷血(哥卩十机鬲一兀)]%)}-L式(9)是关于Ti2的方程，可通过迭代法求解。此算法建立的准则是Til的方差极小化，即：U12-11才式中E⑺)二一工爲巩“ 。为了验证方程(2)比方程(1)在一定温区，一定波长范围内是有更好的适用性，对于不同种材料进行了大量的仿真实验，文献［4］介绍了对于被测温度点在1526.85°C和1726.85°C时，得到其温度计算值对于A~F六种情形的相对误差范围分别为0.1%~1.04%和0.26%~1.31%；对于A~F各种被测目标，采用方程(2)其发射率计算值随波长变化的情况与真实情况相符，说明该方法比方程(1)可以更好地辨识如A~F情形的各种目标。应用方面［11］应用场合如下：空间目标：卫星表皮、窗口材料、光学镜面等，主要解决空间目标的识别和热空问题。军事目标：导弹的火焰与蒙皮、发射车、坦克、飞机等，主要解决红外制导和隐身问题。遥感目标：地面、海洋、森林等，主要解决资源探测、灾情预报等。民用领域：红外加热、物品烘干、医学理疗等等，直接关系到人民日常生活和身体健康。结束语材料发射率测量已经经历了六、七十年的发展过程。但是从上面的综述情况来看，目前尚存在以下几个难点：多种方法并存，投有一种测量方法能够取得主导地位；没有国际(国家)的标准建立，缺乏国际之间的比对，缺乏权威数据库的建立；⑶很少有商品化(标准)的设备出售；整体的测试水平不高。在过去的20年中，我国科研机构受追求经济效益的影响，在此方面的研究工作在走下坡路，经费没有渠道，新的技术很少有人去研究，老的设备大都拆掉或无人维护而瘫痪了。近1、2年内，随着航天、军事、国民经济各领域快速发展，发射率测量的研究工作又逐步恢复和启动起来，在未来的10年内将有很好的发展势头。未来的发展方向：在未来的10年到20年内，在实验室测量方面，用傅里叶光谱分析仪构成测试系统将成为主流和趋势。预计可以达到的技术指标：光谱范围为0.2—l.lum,l-3um,3-5um.7-14um；(2)温度范围为一50.3200°C；测量精度为1％一3％；(4)测量时间为几秒。在线测量方面，采用多波长高温计将成为一个最重要的发展方向，预计可以达到的技术指标：(1)光谱范围为0.2—1.1pm，1—3pm，3。5肿，7—14pm；温度范围为50一5000C；(3)测量精度为优于5%；(4)测量时间为几us〜几ms。在数据库建立方面，会逐步建立某领域内的专业数据库，同时会推进国际合作与国际比对工作。,万志，任建伟，李宪圣，刘则洵一种红外光谱发射率测量装置的研究,戴景民，王新北材料发射率测量技术及其应用2007，张俊祺,，原遵东，赵军，梁宇，段宇宁材料光谱发射率测量装置线性度研究,奚同庚.无机材料热物性学[M].上海：上海科学技术出版社，198】.,俞伦鹏，王文革.固体材料表面光谱发射率测量[J].导弹与航天运载技术，1997(3),LiuBaoming,ChuZaixiang.Effectofdeviationofcavitytempe