发射率的测量

发射率的测量综述专业：光学工程姓名：郭亚玭学号：15SD21113目录研究背景分类及原理总结研究背景各种物质表面的发射率（也称辐射率、黑度系数等）是表征物质表面辐射本领的物理量，是一项重要的热物性参数。在很多领域发挥着重要的作用。例如：（1）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控问题；（2）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；研究背景（3）遥感目标：地面、海洋、森林等，主要解决资源探测、灾情预报等问题；（4）民用领域：红外加热、食品烘干、医学理疗等，直接关系到人们的日常生活和身体健康。近年来，由于军事、国防、材料及能源技术的快速发展，对发射率测量提出了越来越高的要求。同时，由于探测、计算机技术的发展，发射率测量技术也得到了长足的发展。分类及原理基尔霍夫定律是一切物体热辐射的普遍定律:吸收本领大的物体，其发射本领也大,如果物体不能发射某波长的辐射，则也不能吸收该波长的辐射。绝对黑体对于任何波长在单位时间，单位面积上发出或吸收的辐射能都比同温度下的其它物体要多。基尔霍夫定律的意义在于将物体的吸收能力和发射能力联系起来，同时将各种物质的吸收、发射能力与黑体的吸收、发射能力联系起来。为了描述非黑体的辐射,引入辐射发射率或比辐射率介于0和1之间（分为黑体，灰体，选择体），是关于波长、温度及表面性质的函数。00eMeM分类及原理材料的热辐射特在不同波长及不同方向上不同，因此，按波长范围可分为光谱（或单色）及全波长发射率；按发射方向可分为方向、法向及半球发射率。根据不同的测量原理，通常将发射率测量方法分为量热法、反射率法、辐射能量法及多波长测量法等。一、量热法量热法基本原理是：被测样品与周围相关物体共同组成一个热交换系统，根据传热理论推导出系统有关材料发射率的传热方程，再测出样品有关点的温度值，就能确定系统的热交换状态，从而求出样品发射率。按热交换系数可分为稳态法及瞬态法两大类。（1）常用的稳态量热法是灯丝加热法，该方法测温范围宽，为-50~1000℃。但只能测全波长半球发射率，不能测量光谱或定向发射率。（2）瞬态量热法采用瞬态加热技术（如激光、电流等），使试样温度急剧升高，通过测量试样温度、加热功率等参数，再结合辅助设备测量物体的发射率。优点有：设备相对简单，测量速度快，测温上限高（4000℃以上），精度高，缺点是只能测导体材料。二、反射率法根据能量守恒定律及基尔霍夫定律，只要将已知强度的辐射能投射到被测的不透明样品表面上，并用反射计测出表面反射能量，即可求得样品的反射率，进而计算发射率。通常采用的反射计有热腔反射计、积分球（抛物面、椭球面等）反射计、镜面反射计及测角反射计等。（1）热腔反射计法测量范围通常为1~15μm，精度3%~5%，但该方法的精度在很大程度上取决于样品温度，而且必须大大低于热腔壁的温度，所以不适于高温测量，但此方法能测出样品的光谱及方向发射率，样品制备简便，设备简单，测试周期也较短，故仍得到一定应用。二、反射率法（2）积分球反射计主要部分是一个具有高反射率的漫反射表面积分球。工作原理是被测样品置于球心处，入射光从积分球开口处投射到样品表面并反射到积分球内表面上，经过球面第一次反射即均布在球表面上，探测器从另一孔口接收球内表面上的辐射能。然后某一已知反射率的标准样品取代被测样品，重复前述过程。两次测量辐射反射能之比即为反射率系数，被测样品的反射率即为此系数乘以标准样品的反射率。此方法温度范围宽，上限可达5000℃以上。（3）激光偏振法测量精度优于5%，测量时间小于0.3s，但只能测量光滑表面的材料发射率。原理为分别测量反射光两个偏振方向的强度比，其比值与被测材料的反射率有一定的关系𝐼p𝐼n=1+ρ𝑠𝑛其中𝐼p为p方向偏振光强度；同理𝐼n为n方向偏振光强度；ρ𝑠𝑛为样品垂向发射率。三、多波长法多波长辐射测温法是在一个仪器中制成多个光谱通道，利用多个光谱的物体辐射亮度测量信息，假定发射率和波长关系模型，经过数据处理得到物体的温度和材料的光谱发射率。这种方法不需要辅助设备和附加信息，最大优点是不需要特制试样，测量速度快，可以现场测量，测温上限几乎没有限制，因而特别适合于高温、甚高温目标的真温及材料发射率的同时测量，在目前已有的应用中表现了极好的发展前景。但是由于其理论还不够完备，测量精度还不高，目前还没有一种算法可以适应所有材料。现在仪器水平为：温度范围常温~5000℃、波长数4~35、发射率测量精度5%左右。四、能量法能量法的基本原理是直接测量样品的辐射功率，根据普朗克或斯蒂芬-玻尔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，故通常采用能量比较法，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。近年来国内外广泛采用傅里叶分析光谱仪进行测量，优点是测量的光谱范围较宽，约为2~28μm，温度范围为室温至3000℃。四、能量法利用光谱仪分别扫描黑体和样品，测量结果分别为𝑉b(λ,𝑇)和𝑉𝑠λ,𝑇,其中假设光谱仪的光谱响应是线性的，则有：𝑉b(λ,𝑇)=R(λ)·𝐿b(λ)+S(λ)（1）𝑉sλ,𝑇=R(λ)·𝐿s(λ)+S(λ)（2）式中，𝑉b(λ,𝑇)为光谱仪测得的温度T下黑体的辐射能量对应的输出；𝑉𝑠λ,𝑇为光谱仪测得的温度T下样品的辐射能量对应的输出；R(λ)为光谱仪的光谱响应函数；S(λ)为光谱仪背景函数。四、能量法式（1）（2）中的𝐿b(λ)和𝐿s(λ)可表示为：Lb(λ)=εb·Lb(λ,T)+(1-εb)·L(λ,Te)(3)Ls(λ)=εs·Lb(λ,T)+(1-εs)·L(λ,Te)(4)式中，𝐿b(λ,T)为温度T时黑体的光谱辐射亮度；L(λ,𝑇e)为环境温度𝑇e引入的光谱辐射亮度；εb和εs分别为黑体和样品的发射率。四、能量法将式（3）和式（4）代入式（1）和式（2）整理得到：εs=𝑉𝑠λ,𝑇−𝑆(λ)𝑉𝑏(λ,𝑇)−𝑆(λ)·[εb+t(λ,T,𝑇e)]-t(λ,T,𝑇e)(5)其中t(λ,T,𝑇e)=𝐿(λ,𝑇e)𝐿bλ,𝑇−𝐿(λ,𝑇e)S(λ)是与仪器有关的背景函数，为了消除光谱仪背景函数对测量结果的影响，一般采用双黑体法或多温度法标定光谱仪的R(λ)和S(λ)。四、能量法当采用多温度标定法时：𝑉b(λ,𝑇1)=R(λ)·𝐿b(λ,𝑇1)+S(λ)(6)𝑉b(λ,𝑇2)=R(λ)·𝐿b(λ,𝑇2)+S(λ)(7)整理得到：R(λ)=𝑉bλ,𝑇1−𝑉bλ,𝑇2𝐿bλ,𝑇1−𝐿bλ,𝑇2(8)S(λ)=𝑉bλ,𝑇1−𝑉bλ,𝑇1−𝑉bλ,𝑇2𝐿bλ,𝑇1−𝐿bλ,𝑇2·𝐿b(λ,𝑇1)(9)四、能量法四、能量法具体实验步骤如下：（1）样品安装好后从样品炉侧面插入一支校准过的热电偶进行温度测量；（2）设定参考黑体温度500、600、700、800℃，在此温度下测量黑体的光谱辐射能量，对光谱仪的R(λ)和S(λ)进行标定；（3）样品加热炉温度设为600、700、800℃，在此温度下用光谱仪测量样品的光谱辐射能量，同时记录热电偶读数，即为样品温度（4）利用发射率公式计算出不同温度下的光谱发射率。总结综上所述，目前发射率测量有以下4个特点：1、多种方法并存，没有一种测量方法能取得主导地位；2、没有国际标准建立，缺乏国际之间对比缺乏权威数据库的建立，未来会逐步建立某领域内的专业数据库，同时推进国际合作和国际比对工作；3、实验室测量方面用傅里叶光谱分析仪来构成测试系统将成为主流和趋势；4、在线测量采用多波长高温计将成为一个最重要的发展方向。