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。,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-501000。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115m，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pn=1+其中p为p方向偏振光强度；同理n为n方向偏振光强度；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435、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228m，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b(,)和,其中假设光谱仪的光谱响应是线性的，则有：b(,)=R()b()+S()（1）s,=R()s()+S()（2）式中，b(,)为光谱仪测得的温度T下黑体的辐射能量对应的输出；,为光谱仪测得的温度T下样品的辐射能量对应的输出；R()为光谱仪的光谱响应函数；S()为光谱仪背景函数。,四、能量法,式（1）（2）中的b()和s()可表示为：Lb()=bLb(,T)+(1-b)L(,Te)(3)Ls()=sLb(,T)+(1-s)L(,Te)(4)式中，b(,T)为温度T时黑体的光谱辐射亮度；L(,e)为环境温度e引入的光谱辐射亮度；b和s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：s=,()(,)()b+t(,T,e)-t(,T,e)(5)其中t(,T,e)=(,e)b,(,e)S()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()和S()。,四、能量法,当采用多温度标定法时：b(,1)=R()b(,1)+S()(6)b(,2)=R()b(,2)+S()(7)整理得到：R()=b,1b,2b,1b,2(8)S()=b,1b,1b,2b,1b,2b(,1)(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()和S()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、