光谱发射率测量技术解读

收稿日期:2008-10-11;修订日期:2008-12-15作者简介:戴景民(1963,男,教授,博士生导师,研究方向为辐射测温及红外辐射测量、热物性光学特性测试、光电仪器与仪表。Emai:[e-mail]第38卷第4期红外与激光工程2009年8月Vol.38No.4InfraredandLaserEngineeringAug.2009光谱发射率测量技术戴景民,宋扬,王宗伟(哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江哈尔滨150001摘要:论述了光谱发射率在航天、航空、国防、军事及国民经济各领域中的实际应用和重要意义。材料光谱发射率的影响因素很多,且应用背景差异较大,各国分别建立了各具特色的发射率测量装置。根据测量特点及应用范围,发射率测量方法分4大类:量热法、反射法、能量法和多波长法。针对每种测量方法介绍了基本原理、装置特点、技术指标和发展现状。简单介绍了基于红外傅里叶分析光谱仪建立的光谱发射率测量系统,进而描述了材料发射率在重要领域的具体应用情况。分析了我国目前在发射率测量技术方面存在的问题,展望了我国发射率测量技术的发展趋势和发射率数据库方面的进一步工作。关键词:计量学;发射率测量;综述;辐射;温度中图分类号:TB92文献标识码:A文章编号:1007-2276(200904-0710-06ReviewofspectralemissivitymeasurementDAIJing蛳min,SONGYang,WANGZong蛳wei(SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,ChinaAbstract:Thepracticalapplicationandvitalsignificanceofspectralemissivityinastronautics,aeronautics,nationaldefenseandmilitaryhavebeendiscussed.Sincetherearemanyinfluencefactorsonspectralemissivityanditsapplication,alotofemissivitymeasurementapparatusindifferenttypeshavebeensetupinmanycountries.Accordingtothemeasurementcharacteristicandapplicationscope,theemissivitymeasurementmethodswereclassifiedasfourkinds,calorimetric,reflection,energyandmulti蛳wavelengthmethod.Thebasicschematic,apparatuscharacteristic,techniqueindexanddevelopmentstatuswereintroducedforeverymethod.TheemissivitymeasurementapparatusbasedoninfraredFourieranalysisspectrometerwereintroduced.Thespecificapplicationsinthevitalfieldsweredescribed.Andtheproblemsexistedinourcountryfortheemissivitymeasurementhavebeenanalyzed.Finally,thetendencyandfutureworkondatabaseoftheemissivitymeasurementwereforecasted.Keywords:Metrology;Emissivitymeasurement;Review;Radiation;Temperature0引言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,国防领域中,是对导弹尾焰、蒙皮的辐射特性的认知和军第4期事预警、制导、隐身的关键。再如在能源利用、遥感、遥测、辐射测温、红外加热、医学理疗等领域中也具有重要的应用价值。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。在总结近几年发射率测量技术研究现状和应用情况的同时,介绍了基于红外傅里叶光谱分析仪设计的光谱发射率测量系统。最后,对未来的发展趋势进行了展望。1发射率测量技术综述材料的热辐射特性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[1]。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、辐射能量法和多波长测量法等,如图1所示。图1发射率测量方法分类图Fig.1Classificationchartofemissivitymeasurementmethods1.1量热法量热法按热流状态可分为稳态法及瞬态法[2-5]。其基本原理是: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。热交换系统可分为稳态系统和瞬态系统两大类。1.1.1稳态量热法Worthing于1941年就提出了测量全波长半球发射率的最为简便的稳态量热法———灯丝加热法。Richmond(1960年、Howl(1962年及Cezairliyan(1970年等也采用了类似方法。直到近年来,仍然有人采用该方法测量材料的发射率。在装置很精密、且经过仔细调试后,总测量精度可达2%。该方法的测量温度范围比较宽,为-50~1000℃。但只能测试全波长半球发射率,不能测量光谱或定向发射率,此外,样品制作麻烦,测试时间长;但由于装置简单、测试温度范围较宽、准确度高等优点而得到广泛使用。1.1.2瞬态量热法瞬态量热法是采用瞬态加热技术(如激光、电流等,使试样的温度急剧升高,通过测量试样的温度、加热功率等参数,再结合辅助设备测量物体的发射率。早在20世纪60年代Ramanathan等人用此方法测定了各种温度范围的铜、铝、银、钨及不锈钢的全波长半球发射率。此方法设备比较简单,但测温上限低。20世纪70年代以后,美国NIST(原NBS的Cezairliyan等人首先建立了基于积分球反射计法的脉冲加热瞬态量热装置,用于包括材料发射率在内的8个热物性参数的测试。之后,意大利国家计量院的Righini等人也建立了类似的设备,并开始了与NIST长达30多年的国际比对合作实验,发表了大量文章。20世纪90年代以后,NIST的Cezairliyan等人又研制了偏振光反射计(DOAP用于瞬态量热装置中材料发射率测量,使该测量技术几乎达到了完善的程度。近年来,日本NMIJ(原NRLM的Matsumoto、奥地利Graz科技大学、奥地利铸造研究所等单位,引进了美国CRI的DOAP,建立了脉冲加热热物性测量装置。2000年哈尔滨工业大学范毅等人也建立了基于积分球反射计法的脉冲加热瞬态量热装置,并尝试使用多波长辐射温度计来直接测得材料的发射率和温度。此方法的优点是:设备相对简单,测量速度快,测温上限高(4000℃以上,可同时测量多项参数,且测量精度较高;缺点是只能测量导体材料。1.2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,并用戴景民等:光谱发射率测量技术711红外与激光工程第38卷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。1.2.1热腔反射计早在1962年Dunkle[6]等人就建立了热腔反射计,这种方法的测量范围通常为1~15μm,有时可扩展到35μm。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,这种方法不适于高温测量。但由于此方法能测出样品的光谱及方向发射率,样品制备简便,设备比较简单,测试周期也较短,故仍得到一定的应用。测量精度在3%~5%。1.2.2积分球反射计积分球反射计主要部分是一个具有高反射率的漫射内表面积分球。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。然后以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。积分球反射计法测量发射率的方法应用广泛,如意大利IMGC的Righini及哈尔滨工业大学范毅等人的脉冲加热装置中都采用了积分球反射计。2000年上海技术物理所叶家福等人介绍了他们多年一直采用椭球法测量发射率。这种方法可以覆盖相当宽的温度范围,温度上限可达5000℃以上,1.2.3激光偏振法20世纪90年代,美国NIST的Nordince博士提出利用激光偏振法测量棒状试样发射率的方法,装置如图2所示。Cezairliyan等人也利用该方法测量了几图2激光偏振发射率测量装置Fig.2Laserpolarizationemissivityapparatus种材料的发射率,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。1.3能量法能量法的基本原理是直接测量样品的辐射功率,根据普朗克或斯忒藩-玻耳兹曼定律和发射率定义计算出样品表面发射率值[7]。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。从20世纪60年代开始,国内外学者就开始了该方法的研究,探测器分别为无波段选择的绝对辐射计、热电堆、单个波段的光电探测器或分光光度计等,到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℃。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2.5~25μm;温度范围400~1000℃;精度3%~5%,测量时间(不含加热时间为几分钟。20世纪90年代以来,由于傅里叶分析光谱仪的发展和广泛应用,很多学者采用其构成了光谱发射率测量系统和装置。图3为日本NMIJ的测量装置[8]。该发射率测量装置采用了一个简单的Michelson干涉仪,光谱范围5~12μm,探测器为光伏型的HgCdTe;温度范围-20~100℃;测量时间为几秒。1992年,德国的Lindermeir等人利用傅里叶红外光谱仪设计了一套能够同时测量物体发射率和温度(500K以下的装置[9],如图4所示。该装置测量的波长范围是1.3~5.4μm,光谱仪的最大分辨率是0.5cm-1。1994年Markham等人研制的[10]半椭球反射镜反图3日本NMIJ的测量装置Fig.3MeasurementapparatusofemissivitydesignedbyNMIJofJapan712第4期图4Lindermeir等人设计的测量装置Fig.4MeasurementapparatusdesignedbyLindermeir,etc射计测量系统的整体结构如图5所示。该系统可以同时测量材料的光谱发射率和温度,温度测量范围为50~2000℃,典型测量精度为±5%,光谱测量范围为0.8~20μm,典型测试精度为±3%。试样直径为10~40mm,试样的有效直径测量范围为1~3mm。图5半椭球反射镜反射计测量系统原理图Fig.5Measurementsystemofthesemi蛳ellipsoidalmirrorreflecto