光谱发射率测量标准参考材料研究进展

材料光谱发射率的测量方法的研究总结摘要：本文主要系统介绍了目前材料光谱发射率的测量方法（黑体法，红外傅里叶光谱法，多波长法）,在社会上的应用，展望了发射率测量技术的目前存在的问题及发展趋势。

关键字：发射率测量方法傅里叶光谱多波长1，引言：光谱发射率是衡量热辐射体辐射本领的重要依据之一，研究和测量材料发射率对于揭示材料的热辐射特性、提高辐射加热效率、寻找节能新途径都有重要的现实意义。

材料表面发射率与材料组分和结构、表面温度、表面粗糙度等许多因素有关。

发射率的测量依赖于表面温度的精确测定，由于接触法测温一方面会改变物体表面温度场的分布从而带来一定的测量误差，另一方面温度传感器和待测表面接触的紧密程度也会影响测量结果的精度1，所以要提高发射率的测量精度必须首先解决好表面温度的精确测定问题。

[1]为了能够清楚地看出发射率与波长的关系，高温状态下的光谱发射率的测试，对研究光谱选择性辐射表面的材料和涂层尤为重要。

因此连续光谱发射率的准确测量．一直是世界各国普遍关注的焦点。

2，测量方法[2]2.1谱辐射线性度分析双温黑体法[3-5]光谱辐射测量系统线性度反映出测量装置对单色辐射能量的响应情况。

材料光谱发射率的测量建立在线性度良好的前提上。

本文提出双温黑体法，即采用另一个同样的黑体辐射源替代测量装置中样品加热器的位置，模拟发射率测量状况进行测量来验证测量系统的线性度。

采用两个黑体和统计测量的方法消除黑体本身漂移带来的影响，而且可以在不同信号大小情况下验证线性度。

两个黑体采用ISOTECH 976黑体炉，其空腔尺寸为Φ65mm×200mm，工作温度范围为30(室温为20℃时)～550℃，控温稳定性<0．2℃，空腔有效发射率>O．995。

黑体测温用标准铂电阻温度计在中国计量科学研究院标定。

两个黑体的温度分别设置为Tb1，和Tb2，以产生不同大小的黑体辐射。

黑体辐射信号比为Rb，环境温度为Tam。

第29卷,第11期 光谱学与光谱分析Vol 129,No 111,pp2909229132009年11月 Spectroscopy and Spectral Analysis November ,2009　C/C 复合材料的光谱发射率研究朱　波1,曹伟伟1,井　敏2,董兴广1,王成国111山东大学材料科学与工程学院高分子材料研究所碳纤维中心,材料液态结构及其遗传性教育部重点实验室,山东济南　25006121山东建筑大学材料科学与工程学院,山东济南　250101摘　要　采用模压成型法制备了不同类型的C/C 复合材料,测试了其法向光谱发射率的变化。

结果表明,短切碳纤维增强的C/C 复合材料,其法向光谱发射率在整个2500～13000nm 的测试波段内普遍要高于碳布增强复合材料样品。

短切碳纤维结构的相对松散,单位体积内物质的粒子数相对较少,这增加了电磁波的穿透深度,从而使得样品的法向光谱发射率较高,热辐射特性较好。

纤维预制体和C/C 复合材料样品的法向光谱发射率测试对比可知,两种不同碳材料的微结构差异使得树脂碳的法向光谱发射率优于纤维碳。

利用Raman 光谱对不同碳物质进行物相分析表明,树脂碳以s p 3和s p 2杂化态碳原子的混合结构使其内部产生的局域振动模式较多,这也是样品法向光谱发射率较高,热辐射特性较好的原因。

关键词　C/C 复合材料;光谱发射率;树脂碳中图分类号:TB332 文献标识码:A DOI :1013964/j 1issn 1100020593(2009)1122909205　收稿日期:2008211208,修订日期:2009202212　基金项目:国家自然科学基金项目(50673052)资助　作者简介:朱　波,1969年生,山东大学材料科学与工程学院教授 e 2mail :zhubo1969@ ;jackie0523@引　言 C/C 复合材料具有高强度、高模量、高温性能好等优点。

红外发射材料光谱发射率的测量法王海燕,吴坚业,朱国荣(总装工程兵科研一所,江苏无锡214035)摘要: 发射率是评价红外材料性能的关键指标之一,快速、准确测量发射率对红外材料的研制具有重大意义。

详细介绍傅里叶变换红外光谱法测量辐射源分谱能量得出发射率的原理和实验方法。

关键词: 发射率; 傅里叶红外; 光谱仪中图分类号:TN212 文献标识码:A 文章编号:1001 8891(2003)06 0061 03引言随着红外技术在军事应用方面表现出举足轻重的作用和巨大的应用前景,以及红外材料的大量涌现和广泛使用,人们对影响红外材料辐射特性的重要参数之一发射率的测量提出了迫切的要求。

发射率不仅取决于物质的内在性质,同时还取决于物质表面的物理状态、光滑程度、材料粒度、温度、辐射角等,这些因素使得发射率的测量很复杂。

傅里叶变换红外光谱法由于迈克尔逊干涉仪和计算机取代了色散法测量中的棱镜或光栅,因此具有扫描速度快、光通量大、完全没有入射狭缝、分辨率高、波数精确等优点,尤其不受辐射源随时间变化的影响,使得有可能测量100 以下甚至常温下的红外辐射。

1 基本理论1.1 黑体有关黑体辐射的理论研究,主要反映在斯特藩-玻尔兹曼定律:w(T)= T4(1)式中: 为玻尔兹曼常数。

普朗克定律:w( ,T)d =c15dexpc2T-1(2)式中:c1、c2为第一、第二辐射亮度。

维恩定律:m ax=hc/4.965k=0.2898/T(3) 1.2 发射率发射率是实际物体与同温度黑体在相同条件下的辐射功率之比。

然而在实际工作中材料的热辐射特性在不同波长及不同方向上是不相同的。

对于波长范围取平均,可用总!表示,对于半球范围取平均,可用半球!表示,故而分分谱及全波长发射率、方向、法向和半球发射率。

由于大多数红外系统都是响应辐射源规定方向上的一个小立体角内的辐射通量,因而通常测量都是方向发射率。

实际上绝大数辐射体都是灰体,即光谱发射率与全波长发射率相等。

金属材料表面发射率测量研究1发射率的测量原理普朗克黑体辐射定律是辐射测温与发射率测量的理论基础。

根据普朗克定律，黑体的光谱辐出度如下。

2实验平台的搭建发射率测量实验平台由试样、加热炉、温度检测系统等组成，实验方案如图1所示。

2.1标准试样实验试样采用Q235普通碳素钢立方体(30mm×30mm×30mm)。

首先，在试样后表面的正中部位用3mm的钻头钻一圆孔，孔深27mm，并将此点的温度近似为前表面温度，如图2所示。

2.2试样加热炉本文采用额定功率4kW、电压220V的电加热炉，温控表采用TCW—32系列温控仪，具有PID自动调节功能，可以进行分段加热与保温。

炉体为1.5mm钢板，结构简单，炉内加热材料采用硅碳材料，该材料具有发射率高、加热速度快、功耗低、加热均匀等优点，加热的温度能够达到1300K以上。

2.3温度检测系统温度检测系统主要由铂铑热电偶与红外热像仪两部分组成。

(1)铂铑热电偶具有热电性能稳定、抗氧化性强，适宜在氧化性、惰性气氛中连续使用。

测温范围0～1600℃、测温误差小于0.5%，满足本实验要求。

同时使用VC++编写了上位机程序，将热电偶信号实时采集到计算机系统。

(2)热像仪选用M9200高像素短波在线式红外热像仪，主要特点为：高像素：640×480;高精度：读数的±0.5%;测温范围：600～1600℃，800～3000℃可选;短波波段：650nm、750nm、1080nm。

因为现场图像包含所有的温度数据，而M9200热像仪可按照用户设定的速率对大量的数据图像进行采集，并以序列文件的方式进行存储，便于实验后分析，完全满足本实验要求。

3实验及结果分析3.1实验步骤及结果金属材料表面的发射率测量过程为：①启动加热炉。

②当加热炉温度达到850℃时，打开炉门，将已经制作好的试样放在炉内，并把热电偶插到距试样前表面3mm处，并通入保护气体防止氧化。

③运行上位机监控软件，实时记录热电偶所测得的试样温度。

〈综述与评论〉材料表面发射率测量技术研究进展刘波，郑伟，李海洋（上海市计量测试技术研究院，上海 201203）摘要：材料表面发射率是描述物体热辐射特性的重要参数，与辐射传热设计、测温、热像检测和武器隐身等技术密切相关。

综述了量热法、能量法和多波长法测量材料表面发射率的研究进展，分析了材料发射率及其测量不确定度的影响因素，介绍了发射率测量标准样品的研制及国际间比对，最后展望了该领域的发展趋势。

关键词：发射率；辐射测温；量热法；能量比较法；多波长法；计量比对中图分类号：TB94 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2018)08-0725-08 Research and Progress on Material Surface Emissivity MeasurementLIU Bo，ZHENG Wei，LI Haiyang(Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology, Shanghai 201203, China)Abstract：Material surface emissivity is an important thermophysical property for radiation heat transfer, thermometers, thermography testing, infrared stealth, among others. In this paper, we review the techniques for measuring emissivity, such as calorimetric, energy comparison, and multi-wavelength techniques;describe the factors influencing material surface emissivity and the main uncertainty contribution for emissivity measurement; and introduce emissivity standard reference materials and perform an inter- comparison of emissivity measurements. Finally, we analyze the progress trend in this field.Key words：emissivity，radiation thermometers，calorimetric，energy comparison，multi-wavelength，metrology comparison0引言发射率是描述物体热辐射特性的重要参数，材料表面发射率的数值为材料单位面积的辐射功率与同一温度下绝对黑体单位面积的辐射功率之比，表征实际物体辐射能力接近黑体辐射的程度。

Al5052和Al6061红外光谱发射率的对比研究王文宝;张凯华;于坤【摘要】利用反射式光谱发射率测量装置在300K至873K之间对两种铝合金Al5052和Al6061的光谱发射率进行了测量,利用最小二乘法对测量数据进行了线性拟合.研究结果表明:在300K至873K之间,Al5052和Al6061的光谱发射率均随温度升高呈线性关系增大;在不同温度点,加热时间对光谱发射率的影响不相同,虽然A15052与Al6061的组分非常相近,但是两者的光谱发射率却有着较大的差异,特别是在高温段,两者的差异尤其显著.本研究将进一步丰富铝合金的光谱发射率数据,同时为工业上利用辐射测温技术准确测量铝合金表面温度提供了实验依据.【期刊名称】《兴义民族师范学院学报》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】6页(P110-114,118)【关键词】铝合金;光谱发射率;温度;加热时间【作者】王文宝;张凯华;于坤【作者单位】兴义民族师范学院,贵州兴义 562400;河南师范大学,河南新乡453007;河南师范大学,河南新乡 453007【正文语种】中文【中图分类】O432.1铝合金是一种应用非常广泛的有色金属结构材料，在汽车、机械制造、船舶、航空和航天等行业中起着举足轻重的作用[1]。

铝合金具有密度低、强度高、防锈能力强、导电性能好等优点，被广泛应用于建筑、仪器仪表、电器外壳等领域。

此外，铝合金回收性极好，这对于节约能源、保护环境有很大的现实意义。

在铝合金的冶炼、热处理及加工等过程中，需要对其表面温度进行实时监测，而且温度的测量精确度直接决定了产品的质量和能耗的高低[2]。

接触式测温和非接触式测温[3]是目前常用的测温方式有两种，接触式测温设备结构简单，易于操作，测温精度较高，但是其动态性能较差。

非接触式测温以辐射测温技术为主，辐射测温技术能够实时测量样品的表面温度[4，5]，但是材料表面的光谱发射率对测量结果影响较大[6～9]。

在受控环境中新实验装置红外光谱定向发射率测量在受控环境下测量定向红外光谱发射率的一种新的实验设备被提出。

这种样品容器被放置在一个可排除和填充不同气体的不锈钢样品空腔内，可测量高达1050K的定向辐射温度。

型号的测量通过傅里叶变换红外光谱仪实现。

实验结果的关键是作为一种测量温度，发射角原位表面态的演化装置测量发射率的能力。

样品温度同质化的仔细研究和所采取的测量方法，包括背景辐射，仪器响应机能和样品发射率与黑体辐射的差异。

作为结果，概括了这些先前观察到的定向发射率测量方法的简洁的样品发射率表达式。

这些错误的预估表明主要原因是犹豫测量样品温度的发射率的不确定。

在短波波段中间温度的全部不确定性估计在3%左右。

通过对纯铁的发射率的测量检查试验装置的精确度。

试验结果表明非常符合可获取文献中的直接发射率数据并且满足从Hagen-Rubens关系中观察到的热力学发射率。

1.介绍红外发射率是一个物理相对参数，这个参数是定义一个物体发射热红外电磁波的途径。

它被定义为在相同温度和相同几何条件和相同光谱的物体发射的辐射量与黑体发射的辐射量的比率。

实验和理论上发射率的研究感兴趣的是大量的需要例如测量高温，辐射传热，光学常数的估计，低温的可观测性，热效率，光伏应用等精确物性参数的科技应用。

从实验角度看，我们必须考虑到材料的发射率是取决于温度、波长和不同的发射角。

此外，发射率能通过表面粗糙度、表面氧化程度、晶粒尺寸大小等发生显著地变化。

因此，当某一材料正在使用于技术应用中，它的表面条件可以改变，因此，在文献中得到的材料相同的材料组合物的发射率值，可能是无效的。

因为这个原因，在使用条件下发射率的测量非常重要。

基本上，发射率可以通过使用比色或辐射的方法来测量。

最后如果发射率是通过样品与黑体辐射量比较的话是直接法，如果通过样品反射率和透射率测量并通过基尔霍夫定律计算得到发射率，是间接法。

为了通过直接辐射的方法测量光谱的方向性辐射，在文献中发现了不同的可能。

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。

影响材料发射率因素的实验研究
第一章前言
1.1 研究背景
《影响材料发射率因素的实验研究》研究的目的是探讨材料发射率的影响因素，并根据实验结果进行分析得出结论，以指导材料发射率的设计和制备。

材料发射率是指给定的材料在一定条件下从表面释放能量的能力。

它是能够改善环境质量和人体健康状况的重要指标，因此越来越多的研究者开始研究影响材料发射率的因素，以指导材料发射率的设计和制备。

1.2 研究内容
在本次实验中，我们将研究不同类型的材料的发射率，并通过实验结果分析材料发射率影响因素，从而深入了解材料发射率的特性及其影响因素，以便在日后材料发射率设计和制备工作中取得更好的效果。

第二章实验方法
2.1 实验设备
在实验中需要准备如下设备：
（1）测量仪器：光学显微镜、光度计、温度计、粘度计等；
（2）实验材料：实验材料主要由多种不同类型的矿物材料组成；
（3）实验室：室内温度设定为25℃，湿度为50%，其它安全设施需满足有关实验安全规定。

2.2 实验过程
（1）对实验材料进行观察，用光学显微镜观察其形态、质感等；
（2）测定实验材料的光度、温度、粘度等特性；
（3）将实验材料放置在发射率测量仪上，调节发射率测量仪的工作参数，进行发射率测量；
（4）根据实验结果进行分析，找出影响发射率的因素。

第三章结论
本次实验研究表明，影响材料发射率的主要因素有光度、温度、粘度以及材料的组成等，这些因素的协同作用是材料发射率的关键。

本次实验获得的结果有助于提高材料发射率的设计和制备，有助于改善环境质量和人体健康状况。