輻射率測(cè)量原理

輻射率（也稱(chēng)發(fā)射率） 是依據(jù)物體本身的溫度輻射出能量的能力， 是描述被測(cè)物體輻射能力的參數(shù)， 也指物體自身輻射的能量與同一溫度下絕對(duì)黑體所輻射的能量比， 用符號(hào) ε 表示。 輻射率僅僅與物體表面的性質(zhì)（成分、 結(jié)構(gòu)） 有關(guān)。 熱輻射是一種電磁波， 光譜范圍一般指 0.2μ ～ 50μ， 其中包括可見(jiàn)光。在物理學(xué)中， 普朗克黑體輻射定律是用于描述在任意溫度 T 下， 從一個(gè)黑體中發(fā)射的電磁輻射的輻射率與電磁輻射的頻率的關(guān)系公式。 這里輻射率是頻率ν的函數(shù)：

我們通常只關(guān)心材料表面輻射的強(qiáng)度、 空間分布及其光譜分布， 樣品外表面向整個(gè)半球空間發(fā)射的一切波長(zhǎng)的總輻射能與同溫度下黑體輻射能之比稱(chēng)為半球輻射率， 垂直于樣品表面方向的輻射稱(chēng)為法向輻射。 根據(jù)不同的測(cè)試原理， 輻射率測(cè)量方法通常分為量熱法， 反射率法， 輻射能量法和多波長(zhǎng)測(cè)試方法等。

輻射能量法即為在同一溫度下用同一套光譜儀分別測(cè)試絕對(duì)黑體和樣品的發(fā)射光譜曲線(xiàn)， 兩者進(jìn)行積分比值就是材料的輻射率值。 此法有以下幾個(gè)方面的限制：
1. 加熱不均勻帶來(lái)的黑體及樣品表面的溫度梯度對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響；
2. 無(wú)法理想控制黑體及樣品在一個(gè)絕對(duì)相同的溫度進(jìn)行測(cè)量， 1K 的溫差將對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生幾個(gè)百分點(diǎn)的誤差；
3. 傅里葉變換紅外光譜儀自身的噪聲和周?chē)�環(huán)境將對(duì)較低溫度及較低輻射率的測(cè)試產(chǎn)生影響。
由于以上限制， 目前基于傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行的黑體爐輻射測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量誤差， 大多在 3% 左右。

反射率法是依據(jù)基爾霍夫定律得出的輻射率測(cè)量方法， 基爾霍夫定律用于描述物體的發(fā)射率與吸收比之間的關(guān)系， 在給定溫度條件下， 任何物體的輻射率在數(shù)值上等于此物體的吸收率。 結(jié)合普朗克定律及維恩定律， 直接測(cè)試出的材料反射光譜就可以計(jì)算出材料在測(cè)試溫度下的發(fā)射比， 此方法操作簡(jiǎn)單， 成本低廉， 尤其是對(duì)于輻射能量法難以測(cè)試的低發(fā)射率樣品能夠計(jì)算出材料的輻射率。

對(duì)紡織品的輻射率測(cè)試

對(duì)紡織材料而言 , 發(fā)射率是它的一個(gè)非常重要的特征 , 在輻射測(cè)溫， 材料科學(xué)， 遙感技術(shù)， 軍事上的目標(biāo)識(shí)和
偽裝， 以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有發(fā)射率的問(wèn)題。

按照國(guó)標(biāo)《GB ／ T 30127—2013 紡織品 遠(yuǎn)紅外性能的檢測(cè)和評(píng)價(jià)》 的要求， 我們需要在稍高于室溫的 34℃時(shí)對(duì)各類(lèi)紡織產(chǎn)品， 包括纖維、 紗線(xiàn)、 織物、 非織造布及其制品等測(cè)試遠(yuǎn)紅外發(fā)射率并進(jìn)行溫升試驗(yàn)， 以測(cè)定紡織品遠(yuǎn)紅外性能并進(jìn)行評(píng)價(jià)。 輻射波長(zhǎng)范圍為 5μm ～ 14μm， 由于反射率測(cè)試溫度較低， 輻射信號(hào)較弱， 對(duì)測(cè)試系統(tǒng)是一個(gè)考驗(yàn)。

要同時(shí)測(cè)量同溫度下試樣和黑體的輻射能， 測(cè)量系統(tǒng)中就要有可以精確溫度控制的試樣加熱裝置和黑體爐系統(tǒng)，有將輻射能導(dǎo)入輻射能測(cè)量系統(tǒng)的光學(xué)機(jī)構(gòu)及輻射能測(cè)量系統(tǒng)。 我們綜合輻射測(cè)量系統(tǒng)的特點(diǎn)和國(guó)標(biāo)的要求，采用傅里葉變換紅外光譜儀作為輻射測(cè)量設(shè)備，它可以快速測(cè)量較寬光譜范圍內(nèi)的光譜輻射能分布，測(cè)量速度快、使用簡(jiǎn)單。 傅里葉變換光譜方法， 是利用干涉圖和光譜圖之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系， 通過(guò)測(cè)量干涉圖和對(duì)干涉圖進(jìn)行傅里葉變換的方法來(lái)測(cè)定和研究光譜圖， 它能同時(shí)測(cè)量、 記錄所有譜圖的信號(hào)， 并以更高的效率采集來(lái)自光源的輻射能量， 從而使它具有比傳統(tǒng)光譜儀高得多的信噪比和分辨率， 成為目前紅外和遠(yuǎn)紅外波段中最有力的光譜工具。 同時(shí)我們選擇了高靈敏度的 MCT 檢測(cè)器， 可以很好地檢測(cè)弱信號(hào)， 從而獲得穩(wěn)定的測(cè)試結(jié)果。

我們這套基于傅里葉變換紅外光譜儀設(shè)計(jì)的光譜發(fā)射率測(cè)量系統(tǒng)包括： Frontier 傅里葉紅外光譜儀， 配備了外引光路來(lái)將外部輻射源的輻射導(dǎo)入到紅外光譜儀進(jìn)行測(cè)量； 合二為一的黑體爐和試樣加熱系統(tǒng)， 確保黑體溫度與試樣溫度一致， 最大限度地保證了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性； 為了防止背景的干擾， 在出射光路上加裝了低溫水冷卻的恒溫隔離屏， 采用小型循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。 為了減少光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性帶來(lái)的誤差， 采用直接耦合光路， 測(cè)試時(shí)將黑體爐的輻射口直接對(duì)準(zhǔn)光譜儀的入口即可進(jìn)行測(cè)量， 操作使用十分方便。 同時(shí)大大減少了誤差。 為了方便使用， 配套準(zhǔn)備了布料、 纖維、 紗線(xiàn)的樣品架， 讓使用者可以輕松放置樣品進(jìn)行測(cè)量。

本系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)：
（1） 光譜范圍： 1.2μm ～ 16μm（可延伸到 25μm） ；
（2） 控溫范圍： 室溫 +5~100℃
（3） 工作溫度： 34℃
（4） 環(huán)境溫度： 20℃ ±1℃；
（5） 溫度穩(wěn)定性： ±0.2℃ /30 分鐘
（6） 控溫分辨率： 0.1℃
（7） 輻射腔尺寸： φ60mm， 深度 30mm
（8） 黑體腔有效發(fā)射率： 0.95

采用該系統(tǒng)對(duì)實(shí)際樣品進(jìn)行測(cè)試， 每個(gè)樣品重復(fù)三次，測(cè)試結(jié)果顯示重復(fù)性?xún)?yōu)于 1%，測(cè)試信號(hào)遠(yuǎn)大于本底信號(hào)，達(dá)到非常理想的測(cè)試效果。

對(duì)紡織品的溫升測(cè)試

為了滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)國(guó)標(biāo)《GB ／ T 30127—2013 紡織品 遠(yuǎn)紅外性能的檢測(cè)和評(píng)價(jià)》 的要求， 我們還同步開(kāi)發(fā)了紅外溫升測(cè)量裝置， 如圖所示。 裝置完全按照國(guó)標(biāo)要求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 操作方便， 溫度穩(wěn)定， 十分適合沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的
使用者使用。

裝置主要技術(shù)指標(biāo)：
黑體工作溫度： 1100℃
黑體有效輻射功率： 150W
黑體空腔有效發(fā)射率： 0.99
黑體開(kāi)口直徑： φ80mm
樣品槽直徑： φ80mm
控溫儀溫度分辨率： 1℃
紅外光譜范圍： 5~14μm

為了方便使用， 同樣配套準(zhǔn)備了布料、 纖維、 紗線(xiàn)的樣品架， 讓使用者可以輕松放置樣品進(jìn)行測(cè)量。