发射率检测方法

发射率检测方法

一、国内外发射率检测现状

表面辐射特性的研究工作可以追溯到十八世纪，早在1753年富兰克林就提出不同的物质具有不同的接受和发散热量能力的概念。几百年来人们在理论上、实验中、工程上做了大量的研究工作。随着辐射传热学、红外技术、太阳能研究、材料科学及黑体空腔理论等的发展，近五十年以来材料发射率的测量方法有了很大的进展。目前在国际上已建立了分别适用于不同温度和状态以及不同物质的各种测试方法和装置。

（1）量热法

量热法的基本原理是：一个热交换系统包含被测样品和周围相关物体，根据传热理论推导出系统有关材料发射率的传热方程，通过测

量样品某些点的温度值得到系统的热交换状态，即能求得发射率。量热法又分为稳态量热法和瞬态量热法。Worthing的稳态加热法就是采用灯丝进行加热，测量精度达到了2%，但是样品制作复杂，且测量时间长。瞬态法即采用激光或电流等瞬态加热技术，其代表是70年代美国NIST的基于积分球反射计法的脉冲加热瞬态量热装置，其测量速度快，测量上限高达4000℃，能精确测量多项参数，但是被测物必须是导体限制了其应用范围。

（2）反射率法

反射率法基于的原理是对于不透明的样品，反射率+吸收率=1，将已知强度的辐射能量投射到透射率为0的被测面上，根据能量守恒定律和基尔霍夫定律，通过反射计求得反射能量，得到样品的反射率后即可换算成发射率。常用的反射计有：Dunkle等人建立的热腔反射计，该方法能够测量光谱发射率但不适用于高温测量；意大利IMGC 的积分球反射计具有很宽的测量温度范围；激光偏振法只能用于测量光滑表面的发射率。

探测器工作原理图

探测器组装图

（3）辐射能量法法

能量法的基本原理是直接测量样品的辐射功率，根据普朗克定律或斯蒂芬玻尔兹曼定律和发射率的定义计算出样品表面的发射率。一般均采用能量比较法，即用同一探测器分别测量同一温度下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。

(1)独立黑体法：独立黑体法采用标准黑体炉作为参考辐射源，样品与黑体是各自独立的，辐射能量探测器分别对它们的辐射量进行测量。测量材料全波长发射率时，探测器需要选择使用无光谱选择性的温差电堆或热释电等器件；测量材料光谱发射率时，需要选择使用光子探测器并配备特定的单色滤光片。许进堂等人曾采用独立黑体方案设计了一套法向全波长发射率测量装置，精度可以达到3.7%。独立

黑体方案的优点在于能够精细地制作标准辐射源，并可精确地计算其辐射特性。其缺点在于等温条件难以得到保证，特别是对不良导热材料。在实际应用中，人们还常常采用整体黑体法和转换黑体法两种能量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性能，从而进行材料发射率的测量。

两种转换黑体法示意图

(2)红外傅里叶光谱法:进入90年代以来，由于红外傅里叶光谱仪的发展和广泛应用，很多学者都建立了基于该装置的材料光谱发射率测量系统和装置。红外傅里叶光谱仪主要由迈克尔逊干涉仪和计算机组成，其工作原理是光源发出的光经迈克尔逊干涉仪调制后变成干涉光，再把照射样品后的各种频率光信号经干涉作用调制为干涉图函数，由计算机进行傅里叶变换，一次性得到样品在宽波长范围内的光谱信息。因此，红外傅里叶光谱仪在测量红外发射方面是一个功能强大的仪器。

近年来，许多国家都进行了基于傅里叶红外光谱仪材料光谱发射率测量的研究工作。最具有代表性的是半椭球反射镜反射计系统，该系统由Markham等人研制，曾获1994年美国百项研发大奖。系统的整体结构示意图如图所示。

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，为保证加热时试样温度的均匀性，试样的最佳厚度为1~3 mm。（4）多波长测量法

多光谱法是可以同时测量温度和光谱发射率的新方法，其基本原理是利用待测样品在多光谱条件下的辐射信息，通过假定的发射率和波长的数学模型进行理论分析计算，得到待测样品的温度和光谱发射

率。多光谱法的优点是测量速度快，设备简单易于现场测量，不需要制作标准样品。很多国家都在研究多光谱法，多波长测量法的原理是通过测量目标多光谱下的辐射信息，建立发射率与波长关系模型及理论计算，同时得到温度与发射率信息值。该方法能够实现现场测量，并且测量温度没有上限，但是测量精度有限，并且对不同材料的适用性差，没有一种算法能适应所有材料。但是这是未来的发展方向。

发射率测量方法的优缺点

二、本方案的基本原理

考虑到红外热像仪和多光谱分析仪较贵，本方案计划采用“双罩法”测量。“双罩法”的基本原理就是将待测样品的辐射能量与处于相同温度下黑体所辐射的能量相比，就得到待测样品的发射率，本文中所述的发射率如无特别说明均指半球发射率。在工程上将被测面近似为灰体，灰体的定义是在任何温度下所有各波长射线的辐射强度与同温度黑体的相应波长射线的辐射强度之比等于常数。

测量原理结构如图所示，双罩即由半球吸收罩与半球反射罩组成，其中吸收罩内表面为高吸收率材料，反射罩内表面为高反射率材料。为了便于讨论半球罩的检测工作原理，可作如下三个假设：（1）不考虑透射率（即透射率=0），反射罩的内表面反射率和吸收罩的内表面吸收率均为1；（2）顶部开口面积相对于半球面积可忽略，不需要考虑在开孔处的能量损失。（3）罩内表面温度在测量过程中保持不变，因此罩内表面与被测表面间没有相对传热。设被测物体表面的温度为Ts，发射率为ε。当半球反射罩扣在被测物体表面上时，反射罩和被测物体表面组成一个闭合腔体，由被测物体表面发射的辐射能被反射罩内表面不断地反射，而被测物体表面却不断地吸收由反射罩反射回来的辐射能。由于辐射是以光速传播，因此上述的不断反射和吸收过程是瞬间完成。

设ω0为温度T S时的黑体辐射功率，当反射罩对着被测物体表面时，所组成的闭合腔体就成为一个等效黑体。自然敏感元件从小孔中接收到的辐射功率等于黑体辐射功率。设φ12为被测物体表面对半球罩顶部小孔的角系数，则由小孔通过的辐射功率为E b=φ12ω0。将反射罩换成吸收罩，这时由于吸收罩表面和被测物体表面组成闭合腔体，因此被测物体表面辐射到吸收罩内表面的能量完全被吸收。敏感元件接收到的辐射功率即为被测表面发射的固有辐射功率ES=φ12εω0。固有辐射功率与黑体辐射功率的比值即为被测面的发射率：