光谱发射率测量技术解读(共13页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上收稿日期: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:djm第38卷第4期红外与激光工程2009年8月Vol.38No.4Infrared and Laser EngineeringAug.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

2、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(-0710-06Review of spectral emissivity measurementDAI

3、 Jing 蛳min,SONG Yang,WANG Zong 蛳wei(School of Electrical Engineering and Automation,Harbin Institute of Technology,Harbin ,ChinaAbstract:The practical application and vital significance of spectral emissivity in astronautics,aeronautics,national defense and military have been discussed.Since there a

4、re many influence factors on spectral emissivity and its application,a lot of emissivity measurement apparatus in different types have been set up in many countries.According to the measurement characteristic and application scope,the emissivity measurement methods were classified as four kinds,calo

5、rimetric,reflection,energy and multi 蛳wavelength method.The basic schematic,apparatus characteristic,technique index and development status were introduced for every method.The emissivity measurement apparatus based on infrared Fourier analysis spectrometer were introduced.The specific applications

6、in the vital fields were described.And the problems existed in our country for the emissivity measurement have been analyzed.Finally,the tendency and future work on data base of the emissivity measurement were forecasted.Key words:Metrology;Emissivity measurement;Review;Radiation;Temperature0引言各种物质表

7、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

8、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.1Classification chart of emissivity measurement methods1.1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

9、,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-501000。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

10、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

11、,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

12、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Dunkle6等人就建立了热腔反射计,这种方法的测量范围通常为115m,有时可扩展到35m。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

13、。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

14、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.2Laser polarization emissivity apparatus 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

15、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228m,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2.525m;温度范围4001000;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

16、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512m,探测器为光伏型的HgCdTe;温度范围-20100;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1.35.4m,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.3Measurement apparatus of emis

17、sivitydesigned by NMIJ of Japan712第4期图4Lindermeir等人设计的测量装置Fig.4Measurement apparatus designed by Lindermeir,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502000,典型测量精度为5%,光谱测量范围为0.820m,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13mm。图5半椭球反射镜反射计测量系统原理图Fig.5Measurement system of the semi蛳ellipsoidal mirror

18、reflector为了提高光谱发射率的测量精度和光谱测量范围,1998年,Bauer等人在原有的棱镜式单色仪测量发射率装置基础上又增加了利用傅里叶红外光谱仪测量光谱发射率的部分11,该装置的整体框图如图6所示。图6Bauer等人设计的测量设备Fig.6Measurement equipment designed by Bauer,etc 该装置的光谱发射率测试范围为0.425m,温度范围为1001500,测量时间约1min,分辨率优于0.2m。对陶瓷材料的光谱测量范围为0.825m,温度范围为1001200,相对不确定度为5.8%左右。为了对试样的半球全发射率进行测量,B.zhang 等人设计

19、了一套基于傅里叶红外光谱仪的测量装置12,如图7所示。该装置的波长测量范围为0.6 9.6m,温度范围为4001000K,测试环境温度范围为0300K。图7B.Zhang等人设计的测量装置Fig.7Measurement equipment designed by B.zhang,etc美国宾夕法尼亚大学的Modest等人研制的基于傅里叶红外光谱仪的光谱发射率测量装置也很新颖13,其光谱测量范围为120m,温度上限可以达到1550,装置结构如图8所示。图8Modest测量装置Fig.8Measurement apparatus designed by Modest戴景民等:光谱发射率测量技术7

20、13红外与激光工程第38卷美国NIST最近研制了集成式热辐射性能测试系统14,如图9所示。此套集成式测试系统采用傅里叶红外光谱分析技术可以对各种黑体源和材料的光谱发射率进行测试评价,现阶段该系统所覆盖的光谱范围为120m,测量温度范围为6001400K,主要对透明材料进行测量。图9NIST红外光谱发射率测试系统Fig.9Measurement system of NIST infrared spectrum emissivity2004年笔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15,如图10所示。傅里叶光谱仪采用了MCT和Si探测器,使光谱范围从0.6m可以扩展到25m。

21、采用了石墨直接加热技术,使试样温度可以控制在601500内。配置了两个参考黑体炉:高温黑体(5001500和低温平面黑体(60500,并对测量系统的杂散辐射和非线性进行了校正和补偿。近日,又与航天材料与工艺研究所合作正在研制温度上限可以达到2400的高温材料发射率测量装置。图10作者研制的发射率测量装置Fig.10Measurement apparatus designed by author在实际应用中,人们还常常采用整体黑体法和转换黑体法测量材料的发射率,即在试样上钻孔或加反射罩,使被测材料变为黑体或逼近黑体,进行材料发射率的在线测量,如图11、12所示。图11整体黑体原理图Fig.11S

22、chematic diagram of the whole black body图12转换黑体原理图Fig.12Schematic diagram of the conversion black body1.4多波长法多波长法16是20世纪70年代末、80年代初兴起的一种新的同时测量温度和光谱发射率的方法,其原理是通过测量目标多光谱下的辐射信息、假定发射率和波长关系模型及理论计算,得到温度和光谱发射率数据。该方法的最大优点是:不需要特制试样,测量速度快,可以在现场进行测量,测温上限几乎没有限制。但是由于其理论还不够完备,其测量精度还不高,算法对材料的适用性较差,目前,还没有一种算法可以适应所有

23、的材料。由于前述优点,该方法会成为未来研究的主要方向。国内外学者在多波长测温理论、仪器研制及应用研究等方面作了大量的工作,取得了世界瞩目的研究成果。现在的仪器水平为:(1温度范围常温5000;(2波长数435;(3波长范围0.51.1m、13m; 814m;(4发射率测量精度5%左右。哈尔滨工业大学在多波长高温计仪器研制、理论研究及应用研究方面,均达到了世界领先水平。714第4期 戴 景 民 等 ：光 谱 发 射 率 测 量 技 术 715 Bureau of Standards, Section A, Physics and Chemistry , 2 应 用 近年来有大量的文献描述实际应用

24、场合下的发 射率测量问题。 1977,81(3:251-256. 3 RIGHINI F, ROBERTS R B, ROSSO A.Measutrment of thermophysical properties by a pulse 蛳heating method: niobium in the range 1 0002 500 KJ.International Journal of Therm蛳 ophysics,1985,6(6:681-693. 4 KASCHNITZ E, POTTLACHER G,JAEGER H. New microsecond pulse 蛳heating s

25、ystem to investigate thermophysical properties of solid and liquid metals J. International Journal of Thermophysics,1992,13(4: 699. 5 DAI J M, FAN Y, CHU Z X.Development of a Millisecond Pulse 蛳Heating Apparatus J.International Journal of Therm 蛳 ophysics,2002,23(5:1401-1405. 6 DUNKLE R V. In Progre

26、ss in International Research on Thermodynamics and Transport Properties Asme M.1962 ： 100-106. 7 LIU Baoming, CHU Zaixiang.Effect of deviation of cavity temperature and wall emissivity on accuracy of material emissivity measurement C/10th European conference on Thermophy 蛳 sical Properties,1986:22-2

27、6. 8 ISHII J, ONO A.Uncertainty estimation for emissivity measurements near room temperature with a Fourier transforms spectrometerJ.Meas Sci Technol,2001,12:2103-2112. 9 LINDERMEIR E, TANK V, HASCHBERGER P.Contactless Measurement of the spectral emissivity and tempe 蛳 rature of surfaces with a four

28、ier transform infrared spectrometer C/ Proceedings of SPIE, Thermosense XIV: An Intl Conf on Thermal Sensing and Imaging Diagnostic Applications ,1992, 1682:354-364 10 MARKHAM J R, KINSELLA K, CARANGELO R M,et al.A bench top FT 蛳IR based instrument for simultaneously measuring surface spectral emitt

29、ance and temperature J. Rev Sci Instrum,1993,64(9:2515-2522. 11 BAUER W, MOLDENHAUER A, OERTEL H.Thermal radiation properties of different metals C/ Proceedings of SPIE, Thermosense XXVIII,2006,6205:1-12. 12 ZHANG B, REDGROVE J,CLARK J.A transient method for total emissivity determination J. Interna

30、tional Journal of Thermophysics,2004,25(2:423-438. 13 BHARADWAJ S, MODEST F, RIAZZI R.Medium resolution transmission measurements of water vapor at high temperature J.J Heat Transfer,2006,121:374-381. 14 HANSSEN L,MEKHONTSEV S,KHROMCHENKO V.Infrared spectral emissivity characterization facility at N

31、IST C/ Proceedings of SPIE, Thermosense XXVI ,2004,5405:1-12 15 DAI J M, LIU X D, SUN X G.Equipment for the spectral characterization of high 蛳temperature particles J.International Journal of Thermophysics,2005,26(4:1207-1213. 16 DAI Jing 蛳min,YANG Mao 蛳hua,CHU Zai 蛳xiang.Multi 蛳 spectral thermomete

32、r and application J.Journal of Infrared and Millimeter Waves,1995,14(6:461-466.(in Chinese (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 。 (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

33、 ：红 外 加 热 、物 品 烘 干 、医 学 理 疗 等 ， 直接关系到人民日常生活和身体健康。 3 结束语 材料发射率测量已经经历了六七十年的发展过 程 。 综 上 所 述 ，有 以 下 4 个 特 点 ： (1 多 种 方 法 并 存 ， 没 有 一 种 测 量 方 法 能 够 取 得 主 导 地 位 ； (2 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 ； (3 很 少 有 商 业 化 ( 标 准 的 设 备 出 售 ； (4 整 体 测 试 水 平 不 高 。 近 几 年 内 ，随 着 航 天 、军

34、 事 、国 民 经 济 各 领 域 快 速 发 展 ， 发 射 率 的 测 量 问 题 又 逐 步 恢 复 和 启 动 起 来 ，而 且 在 未 来 的 1020 年 表 现 出 了 很 好 的 发 展 势 头 。 (1 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。 预计可以达到的技术 指 标 为 ： 1 光 谱 范 围 0.2 25 m ；2 温 度 范 围 -50 3 200 ； 3 测 量 精 度 1%3% ； 4 测 量 时 间 为 几 秒 。 (2 在 线 测 量 采 用 多 波 长 高 温 计 将 成 为 一 个 最 重 要

35、的 发 展 方 向 ， 预 计 可 以 达 到 的 技 术 指 标 ： 1 光 谱 范 围 0.21.1 m ， 13 m ， 35 m ， 714 m ； 2 温 度 范 围 505 000 ； 3 测 量 精 度 优 于 5% ； 4 测 量 时 间为几微秒到几毫秒。 (3 数 据 库 建 立 会 逐 步 建 立 某 领 域 内 的 专 业 数 据 库 ，同 时 推 进 国 际 合 作 与 国 际 比 对 工 作 。 参考文献： 1 CHU Zai蛳xiang,SUN Yu蛳xing, CHEN Shou蛳ren. Material spectra emissivity measurement technique J.Infrared Research ,1986, 5A:231-239.(in Chinese 2 CEZAIRLIYAN A,MCCLURE J,LAYLOR R. Thermophysical measurements on 90Ti 蛳6Al 蛳4V alloy above 1 450 K using a transinent technique J.Journal of Research of the National 专心-专注-专业