材料发射率测量技术及其应用_戴景民

第28卷　第3期2007年7月　计　　　量　　　学　　　报ACTA 　ME TROLOGICA 　SINIC A Vol . 28, №3　July , 2007

材料发射率测量技术及其应用

戴景民, 　王新北

(哈尔滨工业大学自动化测试与控制系, 黑龙江哈尔滨　150001)

摘要:论述了发射率在航天、航空、国防及国民经济各领域中的重要作用和意义, 综述了近年来材料发射率测量技术的研究发展现状。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, 进而描述了发射率的应用情况。展望了发射率测量技术的目前存在的问题及发展趋势。

关键词:计量学; 发射率测量; 辐射; 温度

中图分类号:TB94　　　文献标识码:A 　　　文章编号:1000-1158(2007) 03-0232-05

Re view of Emissivity Measuremen t and Its Applications

DAI Jing -min , 　WANG Xin -bei

(Department of Automation Measurement and Control , Harbin Institute of Technology ,

Harbin , Heilongjiang 150001, China )

A bstract :E missivity is an important parameter in the fields of aerospace , aviation , national defense and national economy . The develop ment in emiss ivity measurement during recent years has been reviewed . The apparatus for measuring spectral emissivity is constructed in author ' s lab by using Fourier trans form spectrometer . Moreover , some applications and development trent of emissivity measurement techniques are described .

Key words :Metrology ; Emissivity meas urement ; E mission ; Temperature

种各样的方法, 并对各种物质的辐射特性作了大量

1　引　言

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。在当代很多科学技术领域中有着重要的意义。例如在国防领域中, 对导弹尾焰、蒙皮的辐射特性的认知, 是军事预警、制导和隐身的关键。再如在遥感、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。

由于物体表面的发射率不是物质的本征参数, 它不仅与物质组分有关, 还与物体的表面条件(粗糙度) 有关, 而且还与物体的温度和考察的波长等因素有关。即发射率是以上诸多因素的多元函数。

自上世纪30年代以来, 随着热辐射理论和黑体空腔理论研究的进展, 对材料发射率测量提出了各

收稿日期:2005-03-09; 修回日期:2006-04-10基金项目:国家自然科学基金(50336010)

的测定和研究。有关数据已经汇编成册供使用者查阅。

近年来, 由于国防技术、材料技术及能源技术的快速发展, 对发射率的测量提出了很高的要求。同时由于探测技术、计算机技术的发展, 发射率测量技

术也得到了长足的发展。本文在总结最近几年来的发射率测量技术研究现状、应用情况的同时, 介绍了作者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, 展望了未来的发展趋势。

2　发射率测量技术综述

表面辐射特性的研究工作可以追溯到18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

, , , 。

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论上、实验中和工程上做了大量的研究工作。特别是从上世纪50年代始, 材料科学、空间技术、核能及计算机技术等许多重大科学技术发展的推动, 这方面的研究得到了长足的发展和完善。

材料的热辐射特性在不同波长及不同方向上是不相同的, 因此一般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。

根据不同的测试原理, 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。方法的分类如图1所示

。

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。

2. 1. 2　瞬态量热法

瞬态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。早在上世纪60年代Ra manathan 等人用此法测定了各种温度范围内的铜、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, 测温上限低。

上世纪70年代以后, 由于微型计算机技术的发展, 瞬态量热技术得到了很好的发展。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, 发表了大量的文章。90年代以后, NIST 的Cezairliyan 等人又研制了偏振光反射计DOAP (Division of Amplitude Photopolarimeter ) 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NRL M ) 、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 (Containerless Research , Inc ) 的偏振光反射计DOAP , 本文建立了脉冲加热热物性测量装置。2000年本文作者也建立了基于积分球反射计法的脉冲加热瞬态量热装置, 并正在尝试使用多波长辐射温度计来直接测量发射率和温度。

此方法的特点是:设备较简单, 测量速度快, 测温上限高(4000℃以上) , 可同时测量多项参数, 测量精度较高。缺点是只能测量导体材料。2. 2　反射法

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并进而计算出发射率。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。2. 2. 1　热腔反射计

早在1962年, Dunkle 等人就建立了热腔反射, μm , [6]

图1　发射率测量方法分类图

2. 1　量热法

[1～5]

量热法按热流状态可分为稳态法及瞬态法。其基本原理是:被测样品与其周围相关物体共同组成一个热交换系统, 根据传热理论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。热交换系统也可分为稳态系统和瞬态系统两大类。2. 1. 1　稳态量热法

Worthing 于1941年就提出了测量全长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) 、Howl (1962) 及Cezairliyan (1970) 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。在装置精密、且经过仔细调试后, 该方法的测量总精度可达2%。该方法的温度测试范围较宽(-50℃～1000℃) , 但只能测

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扩展到35μm 。该方法的精度在很大程度上取决于样品温度必须大大低于热腔壁的温度, 所以不适用于高温测量。但由于此法能测出样品的光谱及方向的发射率, 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。2. 2. 2积分球反射计

[3～5]

计、热电堆或单个波段的光电探测器、分光光度计等, 到近年来国内外广泛采用的傅里叶分析光谱仪进行测量。

积分球反射计的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被广泛采用, 如意大利IMGC 的Righini 及哈工大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发表文章, 介绍了他们多年一直在采用的椭球法测量发射率的文章。这种方法可以覆盖相当宽的温度范围, 温度上限可以到5000℃以上, 测量精度在3%～5%。2. 2. 3　激光偏振法

[2～4]

图2　激光偏振发射率测量仪

CCD —监视器; P SG —偏振发生器; PSD —偏振检测器; DL —激光二极管; Pol —偏振器; L —透镜; S —样品; BPF —带通滤光片; PBS —薄膜分束器; G TP —托马斯棱镜;

F —光纤; ID —虹膜光阑; FS —视场光阑

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, 波长范围为2. 5～25μm ; 温度范围为400～1000℃;精度

为3%～5%,测量时间(不含加热时间) 仅需几分钟。

90年代以来, 由于傅里叶分析光谱仪的发展和广泛应用, 很多学者采用傅里叶分析光谱仪构成了光谱发射率测量系统和装置。图3示出了日本NMIJ 的基于傅里叶分析光谱仪的发射率测量装置。

90年代, 由美国国家标准科学研究院(NIST ) 的Nordince 博士提出, 利用激光偏振法测量了棒状试样的发射率, 测量装置如图2所示, 美国CRI 公司研制的高速激光偏振仪测量棒状试样的半球向光谱反射率, 根据Kirchhoff 定律得出样的光谱发射率。

Cezairliyan 等人利用这种方法测量了几种材料的发射率, 测量结果精度较高。奥地利Graz 科技大学也利用这种方法研制了测量装置。

此种方法发射率的测量精度优于5%,测量时间为0. 3s , 缺点是只能测量光滑表面的材料发射率。2. 3　能量法

[7～9]

图3　日本NMIJ 的基于傅里叶分析光谱仪

的发射率测量装置

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。由于目前辐射的绝对测量尚难达到较高精度, 故一般均采用能量比较法, 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。

从上世纪60年代开始, 国内外学者就开始了该

, 该发射率测量装置采用了一个简单的Michelson 干涉仪, 光谱范围为5～12μm , 探测器为光伏型的HgCdTe ; 温度范围为-20～100℃;测量时间约几秒。2004年作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, 见图4。傅里叶光谱仪采用了MCT 和Si 探测器, 使光谱范围从,

第28卷　第3期戴景民等:材料发射率测量技术及其应用235

使试样温度可以控制在60～1500℃范围内。配置了两个参考黑体炉:高温黑体(500～1500℃) 和低温平面黑体(60～500℃) 对测量系统的杂散辐射、非线性进行校正和补偿

。

多波长法是上世纪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, 通过假定发射率和波长关系模型, 由理论计算得到温度和光

谱发射率数据。

该方法最大的优点是: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, 测量精度还不是很高, 算法对材料适用性较差, 目前还没有一种很好的算法可以适应所有的材料。

但是无论如何, 由于该方法的前述优点, 将会成为未来人们主要的研究方向。

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研究工作。现在仪器的水平可达到:(1) 温度范围为常温～5000℃;(2) 波长数为4～35; (3) 波长范围为0. 5～1. 1μm ; 1～3μm ; 8～14μm ; (4) 发射率测量精度约为5%。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, 取得了令人瞩目的研究成果。

图4　作者研制的发射率测量装置原理图

主要技术指标:温度范围为50～1600℃;光谱范围为0. 6～25μm ; 测量精度为3%;测量时间为几秒; 试样为粒子、气体、块材料。

基于傅里叶分析光谱仪的能量法是近年来主要的发展方向, 也代表了发射率测量的最高水平。目前该方法可以达到的技术指标:测量的温度范围从-20℃到2000℃,测量波段从可见光到25μm 以上, 测量时间在1～3s , 测量精度优于3%。

实际应用中, 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

[10]

3　应用方面

[12～14]

, 即在试样上

应用场合如下:

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空问题。

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。

遥感目标:地面、海洋、森林等, 主要解决资源探测、灾情预报等。民用领域:红外加热、物品烘干、医学理疗等等, 直接关系到人民日常生活和身体健康。

钻孔或加反射罩, 使被测材料变为黑体或逼近黑体,

进行材料发射率的测量, 原理图分别见图5、6

。

图5　整体

黑体法方案

4　结束语

材料发射率测量已经经历了六、七十年的发展过程。但是从上面的综述情况来看, 目前尚存在以下几个难点:

(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) 很少有商品化(标准) 的设备出售; (4) 整体的测试水平不高。

, 图6　转换黑体法方案

2. 4　多波长法

[11]

236计量学报

pulse -heatin g

2007年7月

s ystem to investigate thermoph y s ical

益的影响, 在此方面的研究工作在走下坡路, 经费没有渠道, 新的技术很少有人去研究, 老的设备大都拆掉或无人维护而瘫痪了。

近1、2年内, 随着航天、军事、国民经济各领域快速发展, 发射率测量的研究工作又逐步恢复和启动起来, 在未来的10年内将有很好的发展势头。未来的发展方向:在未来的10年到20年内, 在实验室测量方面, 用傅里叶光谱分析仪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:(1) 光谱范围为0. 2～25μm ; (2) 温度范围为-50～3200℃;(3) 测量精度为1%～3%;(4) 测量时间为几秒。

在线测量方面, 采用多波长高温计将成为一个最重要的发展方向, 预计可以达到的技术指标:(1) 光谱范围为0. 2～1. 1μm , 1～3μm , 3～5μm , 7～14μm ; (2) 温度范围为50～5000℃;(3) 测量精度为优于5%;(4) 测量时间为几μs ～几ms 。在数据库建立方面, 会逐步建立某领域内的专业数据库, 同时会推进国际合作与国际比对工作。

[

参

考

文

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