基于傅里叶红外光谱仪的光谱发射率测量装置的研制

引言

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,在很多领域中都有重要的作用和意义.在军事预警、制导和隐身等国防领域中,导弹喷焰、蒙皮的光谱发射率的认知,是预警、制导和隐身前提和关键.而目标发射率数据获得,是遥感、辐射测温的基础,直接决定了测量的不确定度,具有重要意义和应用价值.

物体表面的发射率,不是物质的本征参数,它不仅与物质组份有关,而且与物体的表面条件(粗糙度)有关,同时还与物体的温度和考察的波长等有关.因此发射率是以上诸多因素的多元函数,所以在实际的测量中有较多的影响因素,一直是较难和较热的研究课题.

关于发射率测量技术的研究可以追溯到二十世纪30年代,七十多年来,各国学者[1~5]提出各种发射率测量方法和装置,对各种物质的辐射特性作了大量测定工作,有关数据已经汇编成册供使用者查阅.但是由于材料发射率与材料组份、表面状况及所处的温度和考察的波长有关,所以建立完备的发射率数据库是不可能的,而且测量的精度和重复性都不尽人意.特别是军事、国防、材料科学及能源领域的快速发展,现有的数据库无法满足需求,迫切需要建立精确快速的发射率测量装置,对这些材料进行测量.

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,方法的分类图如图1所示.

在能量法研究方面有代表性的工作有:1984年刘宝明等人[6]采用分光光度计研制成功了发射率测量装置,波长范围: 2. 5~25μm;温度范围: 400~1000℃;精度: 3~5%,测量时间(不含加热时间):几min.

2000年J. Ishii和A. Ono[7]基于傅里叶红外光谱仪研制成功了低温光谱发射率测量装置.采用了一个简单的Michelson干涉仪,光谱范围: 5~12μm,温度范围: -20~100℃,测量的不确定度1% ~3%,测量时间:几s.

2005年作者[8]等采用傅里叶光谱仪研制成功了粒子辐射测量装置,装置中采用了日本JASCO的FT/IR-660型光谱仪,光谱范围0. 66~25μm,温度范围100~1500℃,可以测量粒子的发射率和粒子透过率等参数.

在这一工作基础上,本文研制了固体材料光谱发射率测量装置,推导了环境补偿算法,对某航天用材料的光谱发射率进行了测量,估算了测量的不确定度.

1　仪器的描述

系统组成如图2所示,由傅里叶红外光谱仪、试样加热炉、参考黑体炉、水浴环境腔体与真空系统等组成.

光谱仪主要技术指标: (1)波数范围: 15000~350cm-1; (2)分辨率: 0. 022nm~40nm; (3)信噪比: 25, 000: 1; (4)扫描频率: 20Hz.