超高温FTIR光谱发射率测量系统的线性度分析_王宗伟
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第３ 第２期 光 谱 学 与 光 谱 分 析 ２卷 ， ２ ０ １ ２ 年 ２ 月 Ｓ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ａ ｎ ｄ Ｓ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ Ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｐ ｐ ｙ ｐ ｙ
３ １ ３ Ｖ ｏ ｌ ． ３ ２， Ｎ ｏ ． ２， ３ １ ６ － ｐ ｐ ， Ｆ ｅ ｂ ｒ ｕ ａ ｒ ２ ０ １ ２ ｙ
９］ 原理图如图 １ 所示 ，实物图片如图 ２ 所示 。 率测量系统 ［
单位 μ ｍ； Ｔ 是温度 ，单位 Ｋ。
１ ０］ ，具 体 原 理 是 采 通过多点拟 合 的 方 法 获 得 理 论 直 线 ［
用Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ 光谱仪测量多个温度点的黑体光 谱 辐 射 亮 度 随 波 长 变化曲线 。在线性定标关系式 的 基 础 上 ，应 用 最 小 二 乘 法 求 。线 性 定 标 与背 景 光 谱 辐 射 函 数 Ａ（ 解光谱响应函数 Ｒ（ λ） λ） 的关系式表述为 （ ） Ｓ（ Ｔ）＝ Ｒ（ Ｌ（ Ｔ） ２ ＋ Ａ（ λ， λ） λ， λ） Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ 光谱仪测得光谱值 依据最小二乘 法 的 基 本 原 理 ， 与拟合计算出的光谱值 Ｓ 的平方和记为 Ｓ（ Ｔ） ′（ Ｔ） λ， λ，
（ ） ４
式中Ｌ 是多温度点黑 体 光 谱 辐 射 亮 度 的 平 均 值 ， 是 Ｓ λ） λ） ｉ（ ｉ（ 多温度点光谱仪测得光谱值的平均值 ，其他参量以此类推 。 通 过 最 小 二 乘 法 求 得 理 论 直 线 后 ，根 据 线 性 度 的 定 义 ， 当波长λ 一定时 ，在所测温 度 点 处 ，光 谱 仪 测 量 的 光 谱 信 号 值 Ｓ（ 与理论拟合直线 Ｓ 差值的绝对值 的 最 大 值 Ｔ ′（ Ｔ λ， λ， ｉ） ｉ） 与理论计算的温度 上 下 限 光 谱 信 号 差 值 的 比 值 。 Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ 光谱 计算公式如下 仪的输出量与输入量的线性度函数δ（ λ） ｍ ａ ｘ ′（ Ｔ Ｔ ｜Ｓ －Ｓ（ ｜ λ， λ， ｉ） ｉ） （ ） ０ ０％ ５ ×１ δ（ λ）＝ Ｓ（ Ｔｍａ Ｔｍ －Ｓ（ λ， λ， ｘ） ｉ ｎ） 式中 Ｓ（ 是光谱仪输出的光谱信号值 ； 是通过最 Ｔ） Ｓ ′（ Ｔ） λ， λ， …， 小二乘线性 拟 合 计 算 的 光 谱 信 号 值 ， ｉ＝１， ２， Ｎ； Ｓ（ λ， 是上限温度光谱值 ， 是下限温度光谱值 。 Ｔｍａ Ｓ（ Ｔｍ λ， ｘ） ｉ ｎ） 在计算 Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ 光谱仪的 输 出 量 与 输 入 量 的 线 性 度 函 数 δ （ 的基础上 ，分析 线 性 度 函 数 δ（ 在光谱范围内的取值范 λ） λ） 围 ，得出不同光谱区域的线性 响 应 的 变 化 情 况 。依 据 材 料 光 谱发射率的定义 ，在同一温度 和 同 一 条 件 下 ，试 样 的 光 谱 辐 射亮度与黑体的光谱辐射亮度之比即为材料在该条件下的发 射 率 。通过 Ｆ 与通过线性拟合 Ｔ Ｉ Ｒ 光谱仪测量得到的 Ｓ（ Ｔ） λ， ，计 算 在 温 与 背 景 辐 射 函 数 Ａ（ 得到的光谱响应函数 Ｒ（ λ） λ） 度 Ｔ 时试样的光谱辐射亮度 ，并除以黑体辐射普朗克定律计 ，得 到 光 谱 发 射 率 函 数 表 算得到的光谱辐射 亮 度 ＬＢＢ （ Ｔ） λ， 达式
］ １ ３ － 。 度 Ｌ（ 的线性关系决定了发射率测量的精度 ［ Ｔ） λ，
１ 超高温 Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ 光谱发射率测量系统的建立
为研究高温热防护材料在高温状态下的热平衡状态和红 ］ ４ ８ － ，建 立 了 一 套 外辐射特性 ，参 考 已 有 的 发 射 率 测 量 系 统 ［ 温度上限更高的光谱发射率测量系统 ，该 系 统 测 量 光 谱 发 射 率的基本原理是采用黑体对光谱仪进行 定 标 ，测 量 已 知 温 度 材料的光谱辐射亮度 ，采用发 射 率 定 义 ，并 利 用 黑 体 辐 射 普 朗克定律 ，计算材料的光谱发射率 。 材 料发射率测量的温度范围 １ ０ ０～２ ４ ０ ０ ℃ 。因受温度范 围 、加热材料和测温方法的限 制 ，将 测 量 系 统 划 分 为 两 个 温 区 ：中温区为 １ ０ ０～１ ０ ０ ０ ℃ ，采用热丝电 阻 式 加 热 方 法 ，以 背温传热的方式 ，将被测辐射 试 样 加 热 ；中 温 黑 体 采 用 掺 杂 Ｓ ｉ Ｃ 双螺 纹 管 均 温 加 热 圆 柱 型 黑 体 腔 ； 高 温 区 为 １ ０ ０ ０～ ， ， 采 用 石 墨 结 构 件 作 为 发 热 体 并 配 合 水 冷 式 铜 制 ２ ４ ０ ０℃ 电极作为加热结构 ；高温黑体 为 管 式 石 墨 空 腔 结 构 。为 有 效 保护在高温状态下的被测样品及发热体 结 构 ，采 用 密 闭 式 真 空结构防止氧化 。在测量超高 温 试 样 的 发 射 率 时 ，采 用 氩 气 冲洗的方法 ，进一步提高设备的抗氧化性能 。 为使被测样品具有较高的温度均匀 性 ，并 且 考 虑 材 料 热 导率因素的存在 ，导致试样前后表面产生 的 温 度 梯 度 和 高 温 热形变的问 题 ，要 求 试 样 的 尺 寸 为 圆 片 形 状 ，直 径 ＝３ ０
Ｎ
２ σ ＝
ｉ＝１
］ Ｓ ′（ Ｔ） Hale Waihona Puke Baidu） －Ｓ（ λ， λ， ∑［
ｉ ｉ
２
（ ） ３
２ 和 Ａ（ 的偏导数等于零 ，则 可 求 得 光 令σ 分别对 Ｒ（ λ） λ） （ ） 。 谱响应函数 Ｒ λ 和背景辐射函数 Ａ（ λ）
Ｒ（ λ）＝ 烄
·Ｓ Ｌ Ｓ －Ｌ λ） λ） λ） λ） ｉ（ ｉ（ ｉ（ ｉ（ ２ ２ Ｌ －Ｌ λ） λ） ｉ（ ｉ（
，修订日期 ： ２ ０ １ １ ０ １ １ ８ ２ ０ １ １ ０ ４ ０ ４ 收稿日期 ： － － － － ） 资助 ６ ０ ８ ７ ７ ０ ６ ５ 基金项目 ：国家自然科学基金项目 （ ：ｗ １ ９ ８ ３ 年生 ，哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院博士研究生 ｅ ａ ｉ ｌ ｚ ｗ ｖ ｂ ６ ３． ｃ ｏ ｍ 作者简介 ：王宗伟 ， －ｍ ＠１ ｐ
烅
Ｆ ｉ ． １ Ｓ ｃ ｈ ｅ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ｏ ｆ Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ ｓ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ ｅ ｍ ｉ ｓ ｓ ｉ ｖ ｉ ｔ ｇ ｐ ｙ ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｙ
２ ·Ｓ ·Ｌ Ｌ Ｓ －Ｌ λ） λ） λ） λ） λ） ｉ（ ｉ（ ｉ（ ｉ（ ｉ（ Ａ（ λ）＝ ２ ２ Ｌ －Ｌ λ） λ） ｉ（ ｉ（ 烆
超高温 Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ 光谱发射率测量系统的线性度分析
王宗伟１，戴景民１，何小瓦２，杨春玲１
１．哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院 ，黑龙江 哈尔滨 １ ５ ０ ０ ０ １ ２．航天材料及工艺研究所 ，北京 １ ０ ０ ０ ７ ６
摘 要 为研究航天领域特种材料高温区域的光谱辐 射 特 性 ，建 立 了 基 于 傅 里 叶 光 谱 仪 的 超 高 温 光 谱 发 射 率测量系统 。系统线性度是发射率测量精度的保证 ，通过测量多温度点黑体辐射的光谱信号 ，采用多温度点 线性拟合方法求得每个光谱点的光谱信号值与黑体光 谱 辐 射 亮 度 的 函 数 关 系 式 ，并 结 合 仪 器 线 性 度 测 量 理 论 ，建立了光谱发射率测量系统的线性度测量方法 。实验测量了黑体温度范围 １ ０ ０ ０～２ ０ ０ ０ ℃ 和光谱范围 ３ ０μ ｍ 的光谱辐射信号 ，求得波长λ＝４μ ｍ 的理论直线与测量光谱值的线 性 关 系 。实 验 表 明 ，仪 器 在 ４～ ～２ ，仪器的光谱线性度均优于 １％ 。当测量系统线性 度 一 定 强吸收光谱区域 １ ８μ ｍ 光谱范围响应较好 ，除 Ｃ Ｏ ２ 时 ，温度越高 ，光谱误差对发射率的影响越小 。评定光谱发射率测量系统的线性度有利于剔除个别温度点光 谱扰动带来的误差 。 关键词 热辐射特性 ；光谱发射率 ；线性度 ；超高温 ；傅里叶光谱仪 ： ／ （ ） 中图分类号 ： Ｔ Ｋ ３ ９ 文献标识码 ：Ａ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０ ． ３ ９ ６ ４ ０ ５ ９ ３ ２ ０ １ ２ ０ ２ ０ ３ １ ３ ０ ４ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ － － － ｊ
Ｓ（ Ｔ） － Ａ（ λ， λ） （ Ｔ）＝ （） （ ， ） ε λ， ＲλＬ ｂ ｂ λＴ
（ 式中ε 是关于波长λ 和温度 Ｔ 的光谱发射率函数 。 Ｔ） λ，
（ ） ６
３ Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ 光谱线性度实验及分析
的Ｊ Ｄ Ｔ Ｇ Ｓ） Ａ Ｓ Ｃ Ｏ 采用基于 热 释 电 传 感 器 氘 化 硫 三 肽 （ － ６ １ ０ ０ 傅里叶光谱仪测 量 黑 体 在 １ ０ ０ ０～２ ０ ０ ０ ℃的光谱辐射 亮度 ，光谱仪设 置 的 孔 径 光 阑 的 直 径 为 ７ ． １ ｍｍ，光 谱 分 辨 率４ ｃ ｍ－１ ， 通 过 １ ０ 次 测 量 累 加 并 求 均 值， 扫 描 速 度
引 言
材料的光谱发射率是表征材料表面光谱辐射特性的重要 热物性参数 。影 响 材 料 光 谱 发 射 率 的 因 素 较 多 ，如 物 质 组 份 、温 度 、表 面 微 观 结 构 、表 面 氧 化 状 态 等 ，通 常 采 用 实 验 方法测量材料的光谱发射率 。通过测量得 到 的 光 谱 发 射 率 可 计算各光谱带宽的发射率 ，用于高温表面 温 度 测 量 和 光 谱 辐 射特性分析 。 目前较为主流的测定方法是根据材 料 发 射 率 的 定 义 ，采 用性能较好的红外傅 里 叶 变 换 （ 光谱仪作为光谱辐射 Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ） 亮度测量设备 。假定 Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ 光 谱 仪 的 定 标 方 程 是 线 性 的 ，通 过测量已知温度点的黑体对 Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ 光 谱 仪 定 标 ，获 得 光 谱 响 应函数和背景辐射亮度 。通过定标方程和 已 知 温 度 的 材 料 光 谱测量值 ，通过计算得到材料 在 该 温 度 的 光 谱 发 射 率 。基 于 材料发射率的定义 ，建立了光 谱 发 射 率 测 量 系 统 。该 系 统 覆 盖了室温 ～２ ４ ０ ０ ℃ 的 温 度 范 围 ，采 用 型 号 Ｊ Ａ Ｓ Ｃ Ｏ ６ １ ０ ０的 － Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ 光谱仪 。由于考察 较 宽 温 区 的 材 料 光 谱 发 射 率 与 温 度 的依赖关系 ，测量的光谱 值 Ｓ（ 与被测目标光谱辐射亮 Ｔ） λ，
Ｆ ｉ ． ２ Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ ｓ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ ｅ ｍ ｉ ｓ ｓ ｉ ｖ ｉ ｔ ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｇ ｐ ｙ ｙ
２ Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ 发射率的线性度测量理论
Ｆ Ｔ－ 线性度是测量仪 器 仪 表 测 量 精 度 的 一 项 重 要 指 标 ， 光谱发射率材 料 系 统 的 线 性 度 可 表 述 为 目 标 在 一 定 温 度 Ｉ Ｒ 下的 辐 射 亮 度 Ｌ（ 与Ｆ Ｔ） Ｔ Ｉ Ｒ 光谱仪测量的光谱输出值 Ｓ λ， （ 的线性关系 。 Ｔ） λ， 光谱发射率测量系统含有中高温黑 体 和 超 高 温 黑 体 ，本 文中重点研 究 超 高 温 区 Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ 光谱发射率测量系统的线性 度。 分析线性度的首要问题是求解理论输出量与输入量的函 数关系 ，采用黑 体 进 行 定 标 时 ， Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ 光谱仪的输入量是一 ， 定温度下黑体的辐射亮度 ＬＢＢ （ Ｔ） Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ 光谱仪的输出量 λ， 。输入量 ＬＢＢ （ 是光谱信号 Ｓ（ 的求解可将试样温度 Ｔ） Ｔ） λ， λ，
３ １ ４
光谱学与光谱分析 第 ３ ２卷
４ 数； Ｃ ． ４ ３ ８ ８×１ ０ ｍ· Ｋ 是 第 二 辐 射 常 数 ； λ 是 波 长， ２ ＝１ μ
ｍｍ，厚度 ２ｍｍ。试样 背 面 要 求 μ ｍ 级 的 粗 糙 度 ，以 提 高 加 。 热效率 系统最大光谱范围 １ ． ２ ８～２ ８μ ｍ，发 射 率 有 效 光 谱 范 围 ， 波数分辨率最高为 是 ３～２ ０μ ｍ ０ ． ５ｃ ｍ－１ 。 Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ 光谱发射
３ １ ３ Ｖ ｏ ｌ ． ３ ２， Ｎ ｏ ． ２， ３ １ ６ － ｐ ｐ ， Ｆ ｅ ｂ ｒ ｕ ａ ｒ ２ ０ １ ２ ｙ
９］ 原理图如图 １ 所示 ，实物图片如图 ２ 所示 。 率测量系统 ［
单位 μ ｍ； Ｔ 是温度 ，单位 Ｋ。
１ ０］ ，具 体 原 理 是 采 通过多点拟 合 的 方 法 获 得 理 论 直 线 ［
用Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ 光谱仪测量多个温度点的黑体光 谱 辐 射 亮 度 随 波 长 变化曲线 。在线性定标关系式 的 基 础 上 ，应 用 最 小 二 乘 法 求 。线 性 定 标 与背 景 光 谱 辐 射 函 数 Ａ（ 解光谱响应函数 Ｒ（ λ） λ） 的关系式表述为 （ ） Ｓ（ Ｔ）＝ Ｒ（ Ｌ（ Ｔ） ２ ＋ Ａ（ λ， λ） λ， λ） Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ 光谱仪测得光谱值 依据最小二乘 法 的 基 本 原 理 ， 与拟合计算出的光谱值 Ｓ 的平方和记为 Ｓ（ Ｔ） ′（ Ｔ） λ， λ，
（ ） ４
式中Ｌ 是多温度点黑 体 光 谱 辐 射 亮 度 的 平 均 值 ， 是 Ｓ λ） λ） ｉ（ ｉ（ 多温度点光谱仪测得光谱值的平均值 ，其他参量以此类推 。 通 过 最 小 二 乘 法 求 得 理 论 直 线 后 ，根 据 线 性 度 的 定 义 ， 当波长λ 一定时 ，在所测温 度 点 处 ，光 谱 仪 测 量 的 光 谱 信 号 值 Ｓ（ 与理论拟合直线 Ｓ 差值的绝对值 的 最 大 值 Ｔ ′（ Ｔ λ， λ， ｉ） ｉ） 与理论计算的温度 上 下 限 光 谱 信 号 差 值 的 比 值 。 Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ 光谱 计算公式如下 仪的输出量与输入量的线性度函数δ（ λ） ｍ ａ ｘ ′（ Ｔ Ｔ ｜Ｓ －Ｓ（ ｜ λ， λ， ｉ） ｉ） （ ） ０ ０％ ５ ×１ δ（ λ）＝ Ｓ（ Ｔｍａ Ｔｍ －Ｓ（ λ， λ， ｘ） ｉ ｎ） 式中 Ｓ（ 是光谱仪输出的光谱信号值 ； 是通过最 Ｔ） Ｓ ′（ Ｔ） λ， λ， …， 小二乘线性 拟 合 计 算 的 光 谱 信 号 值 ， ｉ＝１， ２， Ｎ； Ｓ（ λ， 是上限温度光谱值 ， 是下限温度光谱值 。 Ｔｍａ Ｓ（ Ｔｍ λ， ｘ） ｉ ｎ） 在计算 Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ 光谱仪的 输 出 量 与 输 入 量 的 线 性 度 函 数 δ （ 的基础上 ，分析 线 性 度 函 数 δ（ 在光谱范围内的取值范 λ） λ） 围 ，得出不同光谱区域的线性 响 应 的 变 化 情 况 。依 据 材 料 光 谱发射率的定义 ，在同一温度 和 同 一 条 件 下 ，试 样 的 光 谱 辐 射亮度与黑体的光谱辐射亮度之比即为材料在该条件下的发 射 率 。通过 Ｆ 与通过线性拟合 Ｔ Ｉ Ｒ 光谱仪测量得到的 Ｓ（ Ｔ） λ， ，计 算 在 温 与 背 景 辐 射 函 数 Ａ（ 得到的光谱响应函数 Ｒ（ λ） λ） 度 Ｔ 时试样的光谱辐射亮度 ，并除以黑体辐射普朗克定律计 ，得 到 光 谱 发 射 率 函 数 表 算得到的光谱辐射 亮 度 ＬＢＢ （ Ｔ） λ， 达式
］ １ ３ － 。 度 Ｌ（ 的线性关系决定了发射率测量的精度 ［ Ｔ） λ，
１ 超高温 Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ 光谱发射率测量系统的建立
为研究高温热防护材料在高温状态下的热平衡状态和红 ］ ４ ８ － ，建 立 了 一 套 外辐射特性 ，参 考 已 有 的 发 射 率 测 量 系 统 ［ 温度上限更高的光谱发射率测量系统 ，该 系 统 测 量 光 谱 发 射 率的基本原理是采用黑体对光谱仪进行 定 标 ，测 量 已 知 温 度 材料的光谱辐射亮度 ，采用发 射 率 定 义 ，并 利 用 黑 体 辐 射 普 朗克定律 ，计算材料的光谱发射率 。 材 料发射率测量的温度范围 １ ０ ０～２ ４ ０ ０ ℃ 。因受温度范 围 、加热材料和测温方法的限 制 ，将 测 量 系 统 划 分 为 两 个 温 区 ：中温区为 １ ０ ０～１ ０ ０ ０ ℃ ，采用热丝电 阻 式 加 热 方 法 ，以 背温传热的方式 ，将被测辐射 试 样 加 热 ；中 温 黑 体 采 用 掺 杂 Ｓ ｉ Ｃ 双螺 纹 管 均 温 加 热 圆 柱 型 黑 体 腔 ； 高 温 区 为 １ ０ ０ ０～ ， ， 采 用 石 墨 结 构 件 作 为 发 热 体 并 配 合 水 冷 式 铜 制 ２ ４ ０ ０℃ 电极作为加热结构 ；高温黑体 为 管 式 石 墨 空 腔 结 构 。为 有 效 保护在高温状态下的被测样品及发热体 结 构 ，采 用 密 闭 式 真 空结构防止氧化 。在测量超高 温 试 样 的 发 射 率 时 ，采 用 氩 气 冲洗的方法 ，进一步提高设备的抗氧化性能 。 为使被测样品具有较高的温度均匀 性 ，并 且 考 虑 材 料 热 导率因素的存在 ，导致试样前后表面产生 的 温 度 梯 度 和 高 温 热形变的问 题 ，要 求 试 样 的 尺 寸 为 圆 片 形 状 ，直 径 ＝３ ０
Ｎ
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ｉ＝１
］ Ｓ ′（ Ｔ） Hale Waihona Puke Baidu） －Ｓ（ λ， λ， ∑［
ｉ ｉ
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２ 和 Ａ（ 的偏导数等于零 ，则 可 求 得 光 令σ 分别对 Ｒ（ λ） λ） （ ） 。 谱响应函数 Ｒ λ 和背景辐射函数 Ａ（ λ）
Ｒ（ λ）＝ 烄
·Ｓ Ｌ Ｓ －Ｌ λ） λ） λ） λ） ｉ（ ｉ（ ｉ（ ｉ（ ２ ２ Ｌ －Ｌ λ） λ） ｉ（ ｉ（
，修订日期 ： ２ ０ １ １ ０ １ １ ８ ２ ０ １ １ ０ ４ ０ ４ 收稿日期 ： － － － － ） 资助 ６ ０ ８ ７ ７ ０ ６ ５ 基金项目 ：国家自然科学基金项目 （ ：ｗ １ ９ ８ ３ 年生 ，哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院博士研究生 ｅ ａ ｉ ｌ ｚ ｗ ｖ ｂ ６ ３． ｃ ｏ ｍ 作者简介 ：王宗伟 ， －ｍ ＠１ ｐ
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Ｆ ｉ ． １ Ｓ ｃ ｈ ｅ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ｏ ｆ Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ ｓ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ ｅ ｍ ｉ ｓ ｓ ｉ ｖ ｉ ｔ ｇ ｐ ｙ ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｙ
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超高温 Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ 光谱发射率测量系统的线性度分析
王宗伟１，戴景民１，何小瓦２，杨春玲１
１．哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院 ，黑龙江 哈尔滨 １ ５ ０ ０ ０ １ ２．航天材料及工艺研究所 ，北京 １ ０ ０ ０ ７ ６
摘 要 为研究航天领域特种材料高温区域的光谱辐 射 特 性 ，建 立 了 基 于 傅 里 叶 光 谱 仪 的 超 高 温 光 谱 发 射 率测量系统 。系统线性度是发射率测量精度的保证 ，通过测量多温度点黑体辐射的光谱信号 ，采用多温度点 线性拟合方法求得每个光谱点的光谱信号值与黑体光 谱 辐 射 亮 度 的 函 数 关 系 式 ，并 结 合 仪 器 线 性 度 测 量 理 论 ，建立了光谱发射率测量系统的线性度测量方法 。实验测量了黑体温度范围 １ ０ ０ ０～２ ０ ０ ０ ℃ 和光谱范围 ３ ０μ ｍ 的光谱辐射信号 ，求得波长λ＝４μ ｍ 的理论直线与测量光谱值的线 性 关 系 。实 验 表 明 ，仪 器 在 ４～ ～２ ，仪器的光谱线性度均优于 １％ 。当测量系统线性 度 一 定 强吸收光谱区域 １ ８μ ｍ 光谱范围响应较好 ，除 Ｃ Ｏ ２ 时 ，温度越高 ，光谱误差对发射率的影响越小 。评定光谱发射率测量系统的线性度有利于剔除个别温度点光 谱扰动带来的误差 。 关键词 热辐射特性 ；光谱发射率 ；线性度 ；超高温 ；傅里叶光谱仪 ： ／ （ ） 中图分类号 ： Ｔ Ｋ ３ ９ 文献标识码 ：Ａ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０ ． ３ ９ ６ ４ ０ ５ ９ ３ ２ ０ １ ２ ０ ２ ０ ３ １ ３ ０ ４ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ － － － ｊ
Ｓ（ Ｔ） － Ａ（ λ， λ） （ Ｔ）＝ （） （ ， ） ε λ， ＲλＬ ｂ ｂ λＴ
（ 式中ε 是关于波长λ 和温度 Ｔ 的光谱发射率函数 。 Ｔ） λ，
（ ） ６
３ Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ 光谱线性度实验及分析
的Ｊ Ｄ Ｔ Ｇ Ｓ） Ａ Ｓ Ｃ Ｏ 采用基于 热 释 电 传 感 器 氘 化 硫 三 肽 （ － ６ １ ０ ０ 傅里叶光谱仪测 量 黑 体 在 １ ０ ０ ０～２ ０ ０ ０ ℃的光谱辐射 亮度 ，光谱仪设 置 的 孔 径 光 阑 的 直 径 为 ７ ． １ ｍｍ，光 谱 分 辨 率４ ｃ ｍ－１ ， 通 过 １ ０ 次 测 量 累 加 并 求 均 值， 扫 描 速 度
引 言
材料的光谱发射率是表征材料表面光谱辐射特性的重要 热物性参数 。影 响 材 料 光 谱 发 射 率 的 因 素 较 多 ，如 物 质 组 份 、温 度 、表 面 微 观 结 构 、表 面 氧 化 状 态 等 ，通 常 采 用 实 验 方法测量材料的光谱发射率 。通过测量得 到 的 光 谱 发 射 率 可 计算各光谱带宽的发射率 ，用于高温表面 温 度 测 量 和 光 谱 辐 射特性分析 。 目前较为主流的测定方法是根据材 料 发 射 率 的 定 义 ，采 用性能较好的红外傅 里 叶 变 换 （ 光谱仪作为光谱辐射 Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ） 亮度测量设备 。假定 Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ 光 谱 仪 的 定 标 方 程 是 线 性 的 ，通 过测量已知温度点的黑体对 Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ 光 谱 仪 定 标 ，获 得 光 谱 响 应函数和背景辐射亮度 。通过定标方程和 已 知 温 度 的 材 料 光 谱测量值 ，通过计算得到材料 在 该 温 度 的 光 谱 发 射 率 。基 于 材料发射率的定义 ，建立了光 谱 发 射 率 测 量 系 统 。该 系 统 覆 盖了室温 ～２ ４ ０ ０ ℃ 的 温 度 范 围 ，采 用 型 号 Ｊ Ａ Ｓ Ｃ Ｏ ６ １ ０ ０的 － Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ 光谱仪 。由于考察 较 宽 温 区 的 材 料 光 谱 发 射 率 与 温 度 的依赖关系 ，测量的光谱 值 Ｓ（ 与被测目标光谱辐射亮 Ｔ） λ，
Ｆ ｉ ． ２ Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ ｓ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ ｅ ｍ ｉ ｓ ｓ ｉ ｖ ｉ ｔ ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｇ ｐ ｙ ｙ
２ Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ 发射率的线性度测量理论
Ｆ Ｔ－ 线性度是测量仪 器 仪 表 测 量 精 度 的 一 项 重 要 指 标 ， 光谱发射率材 料 系 统 的 线 性 度 可 表 述 为 目 标 在 一 定 温 度 Ｉ Ｒ 下的 辐 射 亮 度 Ｌ（ 与Ｆ Ｔ） Ｔ Ｉ Ｒ 光谱仪测量的光谱输出值 Ｓ λ， （ 的线性关系 。 Ｔ） λ， 光谱发射率测量系统含有中高温黑 体 和 超 高 温 黑 体 ，本 文中重点研 究 超 高 温 区 Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ 光谱发射率测量系统的线性 度。 分析线性度的首要问题是求解理论输出量与输入量的函 数关系 ，采用黑 体 进 行 定 标 时 ， Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ 光谱仪的输入量是一 ， 定温度下黑体的辐射亮度 ＬＢＢ （ Ｔ） Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ 光谱仪的输出量 λ， 。输入量 ＬＢＢ （ 是光谱信号 Ｓ（ 的求解可将试样温度 Ｔ） Ｔ） λ， λ，
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光谱学与光谱分析 第 ３ ２卷
４ 数； Ｃ ． ４ ３ ８ ８×１ ０ ｍ· Ｋ 是 第 二 辐 射 常 数 ； λ 是 波 长， ２ ＝１ μ
ｍｍ，厚度 ２ｍｍ。试样 背 面 要 求 μ ｍ 级 的 粗 糙 度 ，以 提 高 加 。 热效率 系统最大光谱范围 １ ． ２ ８～２ ８μ ｍ，发 射 率 有 效 光 谱 范 围 ， 波数分辨率最高为 是 ３～２ ０μ ｍ ０ ． ５ｃ ｍ－１ 。 Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ 光谱发射