红外技术PPT课件

1、红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量第六章第六章 红外辐射测量仪器及基本参数测量红外辐射测量仪器及基本参数测量 6.1 红外辐射测量仪器红外辐射测量仪器(1) 单色仪：单色仪： 利用分光原件利用分光原件(棱镜或光栅棱镜或光栅)从复杂辐射中获得紫外、可从复杂辐射中获得紫外、可见和红外光谱中具有一定单色程度光束的仪器。由狭缝、准见和红外光谱中具有一定单色程度光束的仪器。由狭缝、准直镜和分光元件按一定排列方式组合而成。直镜和分光

2、元件按一定排列方式组合而成。A2i1i角色散：角色散：表示偏向角表示偏向角 随波长随波长 的变化速率，即波长相差的变化速率，即波长相差 的两的两光线被棱镜分开后的角度。光线被棱镜分开后的角度。d棱镜：棱镜：第第1页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量当入射角等出射角时，角色散表示为：当入射角等出射角时，角色散表示为：1/2222sin/21sin/2AddnddnA棱镜材料的色散率棱镜材料的色散率 如果棱镜

3、能分辨开波长为如果棱镜能分辨开波长为 和和 的单色光，根据瑞的单色光，根据瑞利散射判据，一条谱带的最大值刚好跟邻近谱带的最小值重利散射判据，一条谱带的最大值刚好跟邻近谱带的最小值重叠，则棱镜的理论分辨率叠，则棱镜的理论分辨率R为：为：Rdnbd棱镜的有效底边长度棱镜的有效底边长度 棱镜的最大分辨本领与棱镜底边长度棱镜的最大分辨本领与棱镜底边长度 b 及棱镜材料的色及棱镜材料的色散率散率 成正比。棱镜分辨本领是影响红外单色仪光谱分成正比。棱镜分辨本领是影响红外单色仪光谱分辨本领的重要因素。辨本领的重要因素。/dn d第第2页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河

4、南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量衍射光栅：衍射光栅：光栅平面光栅平面光栅刻线光栅刻线bi闪耀光栅主极大的位置闪耀光栅主极大的位置遵循光栅方程：遵循光栅方程：sinsinmbi衍射级数衍射级数cosdmdb光栅的色散率：光栅的色散率：光栅的色散率要比棱镜大得光栅的色散率要比棱镜大得多，尤其是在红外光谱区域。多，尤其是在红外光谱区域。光栅的分辨本领：光栅的分辨本领：dRWd有效孔径宽度有效孔径宽度 ，N是刻线总数。是刻线总数。cosWbNRmN光栅分辨本领与刻线总数光栅分辨本领

5、与刻线总数N和光谱的级数和光谱的级数m成正比成正比第第3页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量瓦茨沃尔士瓦茨沃尔士(Wadsworth)色散系统色散系统第第4页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量(2) 光谱辐射计：光谱

6、辐射计： 光谱辐射计是在窄光谱区间测量光谱辐射通量的装置；光谱辐射计是在窄光谱区间测量光谱辐射通量的装置；辐射计是在宽光谱区间测量辐射通量的装置。辐射计是在宽光谱区间测量辐射通量的装置。 辐射计的光谱响应区间由探测器的光谱响应和光学系统辐射计的光谱响应区间由探测器的光谱响应和光学系统的透射特性决定。若探测器均匀地响应所有波长，光学系统的透射特性决定。若探测器均匀地响应所有波长，光学系统对所有波长全部透过而无吸收，则输出指示将与光学系统入对所有波长全部透过而无吸收，则输出指示将与光学系统入射光瞳上的总辐射照度成正比。射光瞳上的总辐射照度成正比。电电子子放放大大器器显显示示或或记记录录探测器探测器

7、光学系统光学系统辐射源辐射源辐射计原理图辐射计原理图第第5页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量光谱辐射计结构示意图光谱辐射计结构示意图辐射源辐射源探测器探测器光谱光谱记录器记录器样品槽样品槽参比槽参比槽记录笔和梳状记录笔和梳状光阑驱动装置光阑驱动装置单色仪单色仪电子电子放大器放大器光光阑阑利用光谱辐射计可以给出辐射通量随波长的变化关系。利用光谱辐射计可以给出辐射通量随波长的变化关系。第第6页页/共共61页

8、页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量(3) 红外分光光度计：红外分光光度计： 红外分光光度计也称为红外光谱仪，是进行红外光谱测红外分光光度计也称为红外光谱仪，是进行红外光谱测量的基本设备，主要由辐射源、单色仪、探测器、电子放大量的基本设备，主要由辐射源、单色仪、探测器、电子放大器和自动记录系统构成。器和自动记录系统构成。单色仪单色仪辐射计辐射计反射镜反射镜棱镜棱镜入射狭缝入射狭缝辐射源辐射源出射狭缝出射狭缝色散型双光束红

9、外分色散型双光束红外分光光度计结构示意图光光度计结构示意图第第7页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量双光束光学自动平衡系统双光束光学自动平衡系统双光束电学自动平衡系统双光束电学自动平衡系统双光束光学自动平衡系统的光学部分示意图双光束光学自动平衡系统的光学部分示意图光零位平衡光零位平衡红外分光红外分光单光束分光光度计单光束分光光度计双光束分光光度计双光束分光光度计(全自动快速光谱分析全自动快速光谱分析)光度

10、计光度计第第8页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量双光束电学平衡式红外光谱仪的光学系统双光束电学平衡式红外光谱仪的光学系统记录器记录器参比信号参比信号样品信号样品信号suRusussuu可逆电机可逆电机样品透射率为：样品透射率为：0sRuIuI第第9页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六

11、章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量(4) 傅里叶变换红外光谱仪：傅里叶变换红外光谱仪： 傅里叶变换红外光谱仪主要由迈克尔逊干涉仪和计算机傅里叶变换红外光谱仪主要由迈克尔逊干涉仪和计算机组成。干涉仪的主要功能是使光源发出的光分成两束后产生组成。干涉仪的主要功能是使光源发出的光分成两束后产生一定的光程差，再使之复合产生干涉，得到的干涉图包含着一定的光程差，再使之复合产生干涉，得到的干涉图包含着光源的全部频率和信息。然后用计算机将干涉图进行傅里叶光源的全部频率和信息。然后用计算机将干涉图进行傅里叶变换就可以计算出原来光源的强度按频率的分布。变换就可以计算出原来光源

12、的强度按频率的分布。 如果在复合光束中放置一个能吸收红外辐射的样品，由如果在复合光束中放置一个能吸收红外辐射的样品，由所测得的干涉图经傅里叶变换后与未放入样品时光源的强度所测得的干涉图经傅里叶变换后与未放入样品时光源的强度按频率分布进行相比，就可以得到样品的吸收光谱。按频率分布进行相比，就可以得到样品的吸收光谱。第第10页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量傅里叶变换红外光谱仪的组成：傅里叶变换红外光谱仪的

13、组成：(1) 光源：光谱仪为能测定不同范围的光谱设置有多个光源，光源：光谱仪为能测定不同范围的光谱设置有多个光源，通常用的是钨丝灯或碘钨灯通常用的是钨丝灯或碘钨灯(近红外近红外)、硅碳棒、硅碳棒(中红外中红外)、高压、高压汞灯及氧化钍灯汞灯及氧化钍灯(远红外远红外)。(2) 分束器：要求在波数处使入射光束透射成分和反射成分各分束器：要求在波数处使入射光束透射成分和反射成分各半，此时被调制的光束振幅最大。根据使用波段范围不同，半，此时被调制的光束振幅最大。根据使用波段范围不同，在不同介质材料表面涂相应的涂层。在不同介质材料表面涂相应的涂层。(3) 探测器：常用的探测器有探测器：常用的探测器有TG

14、S、铌酸钡锶、碲镉汞、锑化、铌酸钡锶、碲镉汞、锑化铟等。铟等。(4) 数据处理系统：核心是一台计算机，功能是控制仪器的操数据处理系统：核心是一台计算机，功能是控制仪器的操作，收集数据和处理数据。作，收集数据和处理数据。第第11页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量迈克尔逊干涉仪工作原理图迈克尔逊干涉仪工作原理图第第12页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理

15、工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量测到的入射光干涉强度测到的入射光干涉强度 I(x) 可以表示为：可以表示为： 001 cos2cos22II xSx dSxdx两光束的光程差两光束的光程差光程差为零时的干涉光强光程差为零时的干涉光强待测样品即入射待测样品即入射光的发射光谱光的发射光谱 040 /2 cos2SI xIxdx傅里叶变换傅里叶变换第第13页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic Univ

16、ersity第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量由傅里叶变换红外光谱仪获得发射光谱的步骤：由傅里叶变换红外光谱仪获得发射光谱的步骤：(1)当干涉仪动镜当干涉仪动镜M1随时间作匀速移动时，记录相应的信号，随时间作匀速移动时，记录相应的信号，测出测出I(x)值值(等间隔取样等间隔取样)；(2) 由实验测定光程差由实验测定光程差x=0时的时的I(0)；(3) 将将I(x)-I(0)带入方程带入方程 ，对于选定的频率计算出积分；对于选定的频率计算出积分； 040 /2 cos2SI xIxdx(4) 对于每一个频率完成上面的积分，即可得到对于每一个频率完成上面的积

17、分，即可得到 光谱光谱曲线图。曲线图。 S第第14页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量与红外分光光度计相比傅里叶变换红外光谱仪的优点：与红外分光光度计相比傅里叶变换红外光谱仪的优点：(1) 扫描时间短，信噪比高：光谱仪用时是光度计的扫描时间短，信噪比高：光谱仪用时是光度计的1/N，信，信噪比是色散型仪器的噪比是色散型仪器的(N/8)1/2 ，N是所测光谱包含的光谱元数。是所测光谱包含的光谱元数。(2) 光

18、通量大：一般比色散型仪器高出数十倍乃至数百倍以上。光通量大：一般比色散型仪器高出数十倍乃至数百倍以上。(3) 具有很高的波数准确度：通常可动镜的移动是由具有很高的波数准确度：通常可动镜的移动是由He-Ne激激光器的干涉条纹测量的，测得的光程差很准确，因此计算的光器的干涉条纹测量的，测得的光程差很准确，因此计算的光谱中波数的准确度也很高，通常可达光谱中波数的准确度也很高，通常可达0.01cm-1。(4) 具有较高的和恒定的分辨能力：干涉仪的分辨能力主要是具有较高的和恒定的分辨能力：干涉仪的分辨能力主要是由可动镜驱动时造成的最大光程差来确定的，研究型的光谱由可动镜驱动时造成的最大光程差来确定的，研

19、究型的光谱仪在整个光谱范围内能达到仪在整个光谱范围内能达到0.05cm-1左右的分辨能力。左右的分辨能力。(5) 具有较宽的光谱范围和极低的杂质辐射：通常都包含近红具有较宽的光谱范围和极低的杂质辐射：通常都包含近红外到远红外的光谱范围。某些波长的杂散辐射在傅里叶变换后外到远红外的光谱范围。某些波长的杂散辐射在傅里叶变换后可以很容易地鉴别出来，并且杂散光在整个光谱范围内可低于可以很容易地鉴别出来，并且杂散光在整个光谱范围内可低于0.3%。第第15页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic Universit

20、y第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量(5) 多通道光谱仪：多通道光谱仪： 也采用棱镜或光栅作为色散原件，可以同时在很多波长也采用棱镜或光栅作为色散原件，可以同时在很多波长的通道内收集色散能量。每一通道内的能量可以采用探测器的通道内收集色散能量。每一通道内的能量可以采用探测器阵列的各分立探测元件，或利用摄像管，或具有空间分辨能阵列的各分立探测元件，或利用摄像管，或具有空间分辨能力的相似器件收集。力的相似器件收集。第第16页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic Un

21、iversity第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量6.2 基本辐射量的测量基本辐射量的测量 红外基本辐射量的测量原则上可分为以辐射源为标准的红外基本辐射量的测量原则上可分为以辐射源为标准的测量和以探测器为标准的测量，下面主要介绍以辐射源为标测量和以探测器为标准的测量，下面主要介绍以辐射源为标准的测量。准的测量。(1) 辐射亮度的测量：辐射亮度的测量： 用下标用下标 s 表示与标准辐射源有关的量，表示与标准辐射源有关的量，x 表示与待测辐表示与待测辐射源有关的量。射源有关的量。定义仪器的光谱辐射亮度响应度为定义仪器的光谱辐射亮度响应度为 ： LR LeVR

22、L波长波长 处仪器的光谱输出电压处仪器的光谱输出电压入瞳处的被测光谱辐射亮度入瞳处的被测光谱辐射亮度第第17页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量 波段内仪器的响应度为：波段内仪器的响应度为：12 2121eLLeeLRdVRLLd ssLVLR如果用标准辐射源在如果用标准辐射源在 处和处和 波段内测得的电压分别为：波段内测得的电压分别为：12 21ssLVLRd xxLVLR 21xxLVLRd其中其中

23、和和 是标准辐射源和待测样品的光谱辐射亮度。是标准辐射源和待测样品的光谱辐射亮度。 xL sL如果用待测辐射源在如果用待测辐射源在 处和处和 波段内测得的电压分别为：波段内测得的电压分别为：12第第18页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量于是可以求得待测辐射源的辐射亮度为：于是可以求得待测辐射源的辐射亮度为： xxxsLsVVLLRV 21xxxxssLssVVVLLdLRVV其中其中 和和 分别是标准辐

24、射源在入射光瞳处的光谱辐射亮分别是标准辐射源在入射光瞳处的光谱辐射亮度和总辐射亮度。度和总辐射亮度。sLsL 利用上面结果不必考虑仪器响应度，只要求知道辐射源利用上面结果不必考虑仪器响应度，只要求知道辐射源的光谱辐射亮度以及仪器的输出电压信号就可以了；并且此的光谱辐射亮度以及仪器的输出电压信号就可以了；并且此方法也适用于其它辐射量方法也适用于其它辐射量(如辐射照度、辐射通量等如辐射照度、辐射通量等)的测量。的测量。第第19页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红

25、外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量(2) 辐射强度的测量：辐射强度的测量：2aEdI 辐射源的强度是通过辐射照度的测量获得的。假设辐射辐射源的强度是通过辐射照度的测量获得的。假设辐射穿过透射率为穿过透射率为 的大气后，在距离为的大气后，在距离为d 处产生的辐射照度为处产生的辐射照度为E，当，当d 远大于辐射源的线度时，辐射强度为：远大于辐射源的线度时，辐射强度为：a表观辐射强度表观辐射强度 扩展辐射源，要测得辐射源表面上各点在给定方向上的扩展辐射源，要测得辐射源表面上各点在给定方向上的辐射亮度辐射亮度 L：cosdILdAcosAILdA第第20页页/共共61页页红外技术红

26、外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量(3) 总辐射通量的测量：总辐射通量的测量：对于各向同性点源，其总辐射通量为：对于各向同性点源，其总辐射通量为：4 I 对于实际光源其总辐射通量有两种测量方法：对于实际光源其总辐射通量有两种测量方法：(1) 在积分球内利用已知辐射源的辐射与待测辐射源作比较在积分球内利用已知辐射源的辐射与待测辐射源作比较 测量；测量；(2) 用分布光度计测量辐射源在空间各个方向上的辐射强度用分布光度计测量辐射源在空

27、间各个方向上的辐射强度分布，然后计算其辐射通量。分布，然后计算其辐射通量。第第21页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量(1) 积分球法：积分球法：CoRB2a 积分球也称为积分光度计，它积分球也称为积分光度计，它是一个内壁涂白色漫反射涂层，球是一个内壁涂白色漫反射涂层，球内放待测光源的完整球壳。由光源内放待测光源的完整球壳。由光源发射并经球壁漫反射的一部分辐射发射并经球壁漫反射的一部分辐射通过球壁上的一个

28、小窗口射到测量通过球壁上的一个小窗口射到测量用的接收器上，这部分辐射通量正用的接收器上，这部分辐射通量正比于光源所发出的总辐射通量。比于光源所发出的总辐射通量。B点的辐射照度为：点的辐射照度为：241BER漫反射比为漫反射比为计算光源总辐射通量：计算光源总辐射通量：(1) 用窗口处辐射照度计测量的照度计算；用窗口处辐射照度计测量的照度计算；(2) 用比较法测量辐射源的辐射通量。用比较法测量辐射源的辐射通量。xxssEE 第第22页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章

29、红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量 如果如果C位于球心，经验证明挡位于球心，经验证明挡屏放在辐射源与窗口之间，并距球屏放在辐射源与窗口之间，并距球心心R/3处是最合适的。设辐射源的处是最合适的。设辐射源的最大尺度为最大尺度为2b，则挡屏的半径为：，则挡屏的半径为：2/3daba通常要求辐射源的最大尺度不超过球壳直径的通常要求辐射源的最大尺度不超过球壳直径的1/10。CoRB2a漫反射比为漫反射比为第第23页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章

30、 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量实际的积分球并不满足上面的理想条件，原因为：实际的积分球并不满足上面的理想条件，原因为：(1)球内壁不可能发生理想的漫反射；球内壁不可能发生理想的漫反射；(2)球内壁各点的慢发射不可能是严格相同的；球内壁各点的慢发射不可能是严格相同的；(3)挡屏不仅遮挡光源的辐射，而且在球壁上也会形成阴影；挡屏不仅遮挡光源的辐射，而且在球壁上也会形成阴影；(4)落在辐射源、悬浮装置以及挡屏上的辐射要被它们反射落在辐射源、悬浮装置以及挡屏上的辐射要被它们反射或吸收；或吸收；(5)在窗口或接收器处不可能完全像朗伯余弦定律那样传输在窗口或接收器处不可能完

31、全像朗伯余弦定律那样传输辐射或吸收辐射等等。辐射或吸收辐射等等。第第24页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量(2) 分布光度计法：分布光度计法： 根据辐射通量跟辐射照度之间的关系，通过面积根据辐射通量跟辐射照度之间的关系，通过面积 的的辐射通量为：辐射通量为：AIEA 设想一个闭合曲面把光源包在里面，将曲面分成许多小设想一个闭合曲面把光源包在里面，将曲面分成许多小面元面元 ，分别测出各小面元上的平均辐射照

32、度，分别测出各小面元上的平均辐射照度 ，就可以，就可以得到各小面元上的辐射通量，最后通过求和便可得到总的辐得到各小面元上的辐射通量，最后通过求和便可得到总的辐射通量为：射通量为：iSiE11nniiiiiiEAES 为了方便，通常假设光源发出的辐射强度是轴对称的。为了方便，通常假设光源发出的辐射强度是轴对称的。第第25页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量6.3 红外发射率测量红外发射率测量 在红外发射率的

33、实际测量中，有红外辐射测温技术、热在红外发射率的实际测量中，有红外辐射测温技术、热成像测量技术和遥感辐射测量技术等。成像测量技术和遥感辐射测量技术等。 在红外辐射测温技术中，目标表面的红外发射率是影响在红外辐射测温技术中，目标表面的红外发射率是影响测量结果的基本参数，如在测量结果的基本参数，如在 0的条件下观察的条件下观察25的两个目的两个目标，若发射率相差标，若发射率相差0.01则测出的辐射温度相差，这超出了较则测出的辐射温度相差，这超出了较灵敏仪器的温度分辨率。而在热成像测量和遥感辐射测量技灵敏仪器的温度分辨率。而在热成像测量和遥感辐射测量技术中，景物发射率也会影响辐射对比度。术中，景物发

34、射率也会影响辐射对比度。第第26页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量在测量和报道红外发射率时，必须注意下列问题：在测量和报道红外发射率时，必须注意下列问题：(1) 根据定义，发射率是实际物体与黑体在相同条件下的辐射根据定义，发射率是实际物体与黑体在相同条件下的辐射之比，因此报道测量结果时应指明测试条件，把测量结果严之比，因此报道测量结果时应指明测试条件，把测量结果严格地说成是在某温度、某光谱范围和方向上的

35、发射率；格地说成是在某温度、某光谱范围和方向上的发射率；(2) 必须对样品的状态有完整的描述，在报道测量结果时应尽必须对样品的状态有完整的描述，在报道测量结果时应尽可能地说明测试样品的成分、厚度、表面形貌特征和结构特可能地说明测试样品的成分、厚度、表面形貌特征和结构特征等；征等；(4) 测量发射率时必须准确知道样品的温度。测量发射率时必须准确知道样品的温度。(3) 对光学不均匀的样品必须考虑反射作用，在发射率测量中对光学不均匀的样品必须考虑反射作用，在发射率测量中必须注意必须注意 ，此式中的三个量要有一致的几何条，此式中的三个量要有一致的几何条件和光谱条件；件和光谱条件；1第第27页页/共共6

36、1页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量(1) 半球全发射率测量：半球全发射率测量： 当研究辐射热传递和热损耗问题时，最关心的是物体表当研究辐射热传递和热损耗问题时，最关心的是物体表面的半球全发射率，对它的测量绝大多数是采用量热法。面的半球全发射率，对它的测量绝大多数是采用量热法。辐射热平衡法辐射热平衡法-热丝法：热丝法：IV1T2T4122PIVAT 样品的总输入功率：样品的总输入功率：样品吸收的壁的辐射功率样品吸收的

37、壁的辐射功率电功率电功率21第第28页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量样品的总输出功率：样品的总输出功率：4212/hPATkS TxP gas样品热辐射功率样品热辐射功率空气传导和对流耗散的功率空气传导和对流耗散的功率样品两端及测温热点偶传导消耗的功率样品两端及测温热点偶传导消耗的功率在热辐射平衡条件下：在热辐射平衡条件下：4421hIVATAT 令令 ，可以得到，可以得到半球全发射率为：半球全发射率

38、为：h4412hIVATT这种方法的误差在这种方法的误差在2%20%之间，其大小主要取决于样品和之间，其大小主要取决于样品和真空室壁的相对温度及测量精度。真空室壁的相对温度及测量精度。第第29页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量(2) 法向光谱发射率测量：法向光谱发射率测量： 测量法向光谱发射率除借助光谱反射率测量技术外，几测量法向光谱发射率除借助光谱反射率测量技术外，几乎全部采用辐射度量比较法，在这类方

39、法中，首先要收集给乎全部采用辐射度量比较法，在这类方法中，首先要收集给定温度下样品在小立体角内发射的辐射，并把它经分光计分定温度下样品在小立体角内发射的辐射，并把它经分光计分光后测量中心在指定波长附近窄波带内的辐射，然后把该测光后测量中心在指定波长附近窄波带内的辐射，然后把该测量值除以在同样条件下得到的黑体源的测量值。量值除以在同样条件下得到的黑体源的测量值。 可以较容易地消除大气中二氧化碳及水蒸气吸收的影响，可以较容易地消除大气中二氧化碳及水蒸气吸收的影响，且可以直接得到欲测结果等有点，在实际中用的较为广泛。且可以直接得到欲测结果等有点，在实际中用的较为广泛。双光路测量法双光路测量法第第30

40、页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量记录的是两路光束输出信号比的形式，记录的是两路光束输出信号比的形式，得到的是样品发射率随波数的变化曲线。得到的是样品发射率随波数的变化曲线。第第31页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数

41、测量 为了能直接记录样品的法向光谱发射率，双光路测试系统为了能直接记录样品的法向光谱发射率，双光路测试系统必须满足如下条件：必须满足如下条件：(1)被测样品和比较黑体必须控制在相同温度，样品表面的温度被测样品和比较黑体必须控制在相同温度，样品表面的温度梯度应尽可能小；梯度应尽可能小；(2)使两光束有相同的大气吸收，并使这种吸收降到最低，两光使两光束有相同的大气吸收，并使这种吸收降到最低，两光束的光路长度必须相同，或使仪器保持在无吸收条件或真空束的光路长度必须相同，或使仪器保持在无吸收条件或真空中工作；中工作；(3)除分光棱镜外，必须使用前表面反射系统，并在两光路中使除分光棱镜外，必须使用前表面

42、反射系统，并在两光路中使用完全对等的光学原件，以便两光束在光学上有相等的吸收用完全对等的光学原件，以便两光束在光学上有相等的吸收衰变；衰变；(4)两光束的源面积的场孔径必须相等，以保障两束中的辐射功两光束的源面积的场孔径必须相等，以保障两束中的辐射功率来自相同的源面积和发射立体角。率来自相同的源面积和发射立体角。第第32页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量 bbbmVRLTL T 1ssmnaVRLTL

43、TL T测量原理：测量原理： 设被测样品和实验用黑体的温度为设被测样品和实验用黑体的温度为T，它们的法向光谱，它们的法向光谱辐射亮度分别为辐射亮度分别为 ，环境温度为，环境温度为 Ta，单色仪，单色仪和探测器的温度为和探测器的温度为 Tm，它们的光谱辐射亮度分别为，它们的光谱辐射亮度分别为 ， 。若仪器的光谱响应度为。若仪器的光谱响应度为 ，则当仪器只对黑体，则当仪器只对黑体或样品测量时的输出信号为：或样品测量时的输出信号为： ,sbbLTLT aL T RmL T第第33页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polyte

44、chnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量来自样品的总光谱辐射亮度为：来自样品的总光谱辐射亮度为： 1snaLTL T 1smnabbmmbbmLTL TL TLTL TL TLTL T ssbVL TV 1bbmmnaLTL TL TL T sbVV bbmmanaLTL TL TL TL T 第第34页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量无

45、样品时的仪器输出信号：无样品时的仪器输出信号： 0amVRLTLT法向光谱发射率定义为：法向光谱发射率定义为： 00snbVVVV snbbLTLT 如果仪器以比率记录模式工作，则记录到的是输出信号如果仪器以比率记录模式工作，则记录到的是输出信号与黑体信号的比值，设在记录仪上记录的这些比值分别为：与黑体信号的比值，设在记录仪上记录的这些比值分别为： 0/,/,/sbbbbSVVZVVHVV第第35页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器

46、及基本参数测量及基本参数测量 nSZHZ法向光谱的发射率为：法向光谱的发射率为：样品信号在记录仪上的高度样品信号在记录仪上的高度以黑体代替同温度样品以黑体代替同温度样品时的输出信号高度时的输出信号高度无样品辐射时输出无样品辐射时输出信号的高度，俗称信号的高度，俗称零线高度零线高度第第36页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量 样品光束和比较黑体光束经同一光路，有样品光束和比较黑体光束经同一光路，有相同的光程

47、和衰减损耗。相同的光程和衰减损耗。单光路测量法：单光路测量法： 第第37页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量6.4 红外反射比测量红外反射比测量 当介质不透明时，反射比与反射率、吸收比与吸收率是当介质不透明时，反射比与反射率、吸收比与吸收率是相同的；相同的； 当介质半透明时，用反射比和吸收比描述介质的特性更当介质半透明时，用反射比和吸收比描述介质的特性更合适。合适。反射比的定义：反射比的定义： 反射比一般

48、取决于入射辐射的波长及偏振状态，还与入反射比一般取决于入射辐射的波长及偏振状态，还与入射及收集反射辐射的角度状态有关。根据入射及收集反射辐射及收集反射辐射的角度状态有关。根据入射及收集反射辐射的几何关系，可以有不同的定义和表示方法。射的几何关系，可以有不同的定义和表示方法。第第38页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量(1) 双向反射比：双向反射比： 向指定方向向指定方向 反射的辐射与指定方向反射的辐射与指

49、定方向 入射入射的辐射之比。的辐射之比。,rr ,ii 入射到入射到dA单位表面上的辐射功率为：单位表面上的辐射功率为：,cosiiiiiiiidLd 反射到反射到 方向的辐射功率为：方向的辐射功率为：,rr ,;,rrriirriiidd ,cosiiiiiLd , ; ,iirr 表面双向反射比表面双向反射比不考虑不考虑dA表面自身的发射，则可以用其反射的辐射亮度表示：表面自身的发射，则可以用其反射的辐射亮度表示：,cosrrrrrrrrdLd 第第39页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic Un

50、iversity,;,iirr ,cos,cosrrrrriiiiiLdLd 双向反射比的定义式：双向反射比的定义式：,;,iirrf ,cosrrriiiiiLLd 双向反射分布函数的定义式：双向反射分布函数的定义式：双向反射比与双向反射分布函数的关系：双向反射比与双向反射分布函数的关系： 此函数的物理意义是：沿此函数的物理意义是：沿 方向出射的辐射亮度与方向出射的辐射亮度与沿沿 方向入射在方向入射在dA表面上的辐射照度之比。表面上的辐射照度之比。,rr ,ii , ; ,iirrf , ; ,iirr cosrrd第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量第

51、第40页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量 由由dA表面反射到半球空间的辐射功率与从表面反射到半球空间的辐射功率与从 方向入方向入射到射到dA上的辐射功率之比。上的辐射功率之比。,ii ,;,iirrf ,cosrrriiirrddd 反射到半球空间的辐射功率为：反射到半球空间的辐射功率为：22, ; ,cosriirriiirrfdd 2,;,cosiiiiirrrrdfd (2) 方向方向-半球反射比

52、：半球反射比：第第41页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量方向方向-半球反射比的定义式：半球反射比的定义式：, ;2ii 22,cos,rrrrrriiiiiiiiddLdd 2, ; ,cosiirrrrfd 第第42页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器

53、辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量 由由dA表面反射到表面反射到 方向的辐射功率与整个半球入射方向的辐射功率与整个半球入射到到dA上的辐射功率之比。上的辐射功率之比。,rr 定义式：定义式：2 ;,rr 2,cos,cosrrrrrrrriiiiiiiidLddLd 2,cos,cosrrrrriiiiiLdLd (3)半球半球-方向反射比：方向反射比：,;,iirrf ,cosrrriiiiiLLd 22, ; ,coscos,cosiirriiiiirriiiiifLddLd 第第43页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 H

54、enan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量当入射为漫射时：当入射为漫射时：2 ;,rr 2cos,;,cosrriirriidfd 22, ; ,coscos,cosiirriiiiirriiiiifLddLd 2 ;,rr 第第44页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量(4)双半球反射比：双半球反射比： 反射到半球与从整

55、个半球方向入射的辐射功率之比，其反射到半球与从整个半球方向入射的辐射功率之比，其定义式为：定义式为：2 ;222,cosrrriiiiidLd 222,;,coscos,cosiirriiiiirriiiiifLddLd 当入射为漫射时：当入射为漫射时：2 ;2 221, ; ,coscosiirriirrfdd 21,;2cosiiiid 第第45页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量积分球反射计积分球反

56、射计 目前常用的室内反射比测量系统主要分为四种：积分球目前常用的室内反射比测量系统主要分为四种：积分球反射计、热腔反射计、半球反射计、椭圆镜或抛物镜反射计。反射计、热腔反射计、半球反射计、椭圆镜或抛物镜反射计。积分球的工作原理：积分球的工作原理： 积分球是个内壁涂有积分球是个内壁涂有 MgO、BaSO4、BaCO3 等漫反射涂等漫反射涂层的球形腔体，因这些涂层有近似理想漫反射的性能，所以层的球形腔体，因这些涂层有近似理想漫反射的性能，所以若有一辐射束照射球的内壁，则反射辐射将按余弦定律分布。若有一辐射束照射球的内壁，则反射辐射将按余弦定律分布。因涂层漫反射性质和球形腔的几何性质，使积分球具有特

57、殊因涂层漫反射性质和球形腔的几何性质，使积分球具有特殊的功能：其内壁上任一小面元经照射成为一个光源后，在球的功能：其内壁上任一小面元经照射成为一个光源后，在球内壁上的辐射照度处处均匀相同。内壁上的辐射照度处处均匀相同。第第46页页/共共61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量积分球的结构大同小异，可归纳为两种类型：积分球的结构大同小异，可归纳为两种类型：(1)将待测样品置于球壁或球心，把光束引入球内，并依次照将待测样品

58、置于球壁或球心，把光束引入球内，并依次照射样品和球内壁的高漫反射涂层（或已知反射比的标准反射样品和球内壁的高漫反射涂层（或已知反射比的标准反射体），从样品及球内壁反射的光束经球内多次反射后，射体），从样品及球内壁反射的光束经球内多次反射后，在球壁产生的辐射照度与样品及球内壁首次被照面的反射在球壁产生的辐射照度与样品及球内壁首次被照面的反射比有关。在球内壁另一位置的探测器将分别产生两个输出比有关。在球内壁另一位置的探测器将分别产生两个输出信号，其比值即为样品反射比的绝对测量值。若用标准反信号，其比值即为样品反射比的绝对测量值。若用标准反射体，则探测器的两个输出信号比就是样品与标准反射体射体，则探

59、测器的两个输出信号比就是样品与标准反射体的反射比的比值，给出的是反射比的相对测量。的反射比的比值，给出的是反射比的相对测量。(2)将待测样品置于球壁或球心，把光束引入球内（或在入射将待测样品置于球壁或球心，把光束引入球内（或在入射孔处放一个漫透射体），并在入射孔与样品之间用挡板屏孔处放一个漫透射体），并在入射孔与样品之间用挡板屏蔽。进入球内的光束经多次反射后，使球壁成为一个理想蔽。进入球内的光束经多次反射后，使球壁成为一个理想的漫反射光源。将探测器依次对准样品和球壁某部位测量，的漫反射光源。将探测器依次对准样品和球壁某部位测量，其比值就是样品的反射比。其比值就是样品的反射比。第第47页页/共共

60、61页页红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第六章第六章 红外红外辐射测量仪器辐射测量仪器及基本参数测量及基本参数测量 第一类积分球测量的是方向第一类积分球测量的是方向-半球反射比半球反射比 ，第二类积分球测量的是半球第二类积分球测量的是半球-方向反射比方向反射比 ，只，只要要 ，对易关系就成立，所以只需针对样品置于球壁，对易关系就成立，所以只需针对样品置于球壁或球心这两种情况讨论第一类积分球。或球心这两种情况讨论第一类积分球。2 ; , , ;2 样品置于球壁：样品置于球壁：从从dA0向球壁上