基于傅里葉紅外光譜儀的光譜發(fā)射率測量裝置

光譜發(fā)射率的測量在材料特性研究中扮演著至關(guān)重要的角色，尤其在需要精確熱管理和材料表征的領(lǐng)域中尤為重要。光譜發(fā)射率量化了材料在相同溫度下與黑體相比的輻射效率。本文介紹了基于傅里葉紅外光譜儀（FT-IR）測量系統(tǒng)的光譜發(fā)射率測量技術(shù)，并探討了其設(shè)計(jì)原理、系統(tǒng)組成及應(yīng)用。

1. 光譜發(fā)射率概述

光譜發(fā)射率是指某材料在給定溫度下單位面積內(nèi)的輻射功率與黑體輻射功率的比值。與總發(fā)射率不同，光譜發(fā)射率是波長相關(guān)的，它能提供更細(xì)致的材料輻射信息。精確的光譜發(fā)射率測量在材料科學(xué)、熱管理和節(jié)能等多個(gè)領(lǐng)域都具有重要意義。

2. 測量原理

光譜發(fā)射率的基本測量方法是通過將試樣和黑體在相同溫度下的輻射能量進(jìn)行對比，進(jìn)而計(jì)算發(fā)射率。根據(jù)普朗克定律和斯忒蕃—玻爾茲曼定律，黑體的輻射功率與其溫度和波長有關(guān)，測量系統(tǒng)需精確控制溫度，并采用高精度的光學(xué)系統(tǒng)將輻射能量引導(dǎo)至光譜儀。常用的測量方法是比值法，即在相同條件下測量試樣與黑體的輻射能量，進(jìn)而計(jì)算發(fā)射率。

3. 傅里葉紅外光譜儀設(shè)計(jì)

傅里葉紅外光譜儀能夠在廣泛的波長范圍內(nèi)同時(shí)測量多個(gè)波段的輻射能量，相較于傳統(tǒng)的色散型光譜儀，傅里葉紅外光譜儀因其同時(shí)捕捉所有譜元的能力，具備更高的信噪比和分辨率。該系統(tǒng)的核心組件包括：

• 用于將入射光分成兩束，產(chǎn)生干涉圖案，利用傅里葉變換技術(shù)得到光譜信息。

• 專門用于中紅外波段，具備較高的靈敏度。

• 提供高分辨率和可靠性的商用傅里葉紅外光譜儀。

4. 系統(tǒng)組件

4.1 黑體爐

黑體爐是系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)輻射源，具有接近1的發(fā)射率，并用于系統(tǒng)的校準(zhǔn)。黑體爐的溫度范圍為60°C至1500°C，精度為±1°C，使用碳化硅（SiC）加熱元件，其耐高溫性能。

4.2 試樣加熱系統(tǒng)

為了準(zhǔn)確測量發(fā)射率，試樣和黑體必須加熱到相同溫度。試樣加熱系統(tǒng)使用板式加熱體，避免了傳統(tǒng)管狀加熱體可能引入的輻射干擾。該系統(tǒng)的溫度范圍為60°C至1500°C，精度為±1°C。

4.3 真空系統(tǒng)

為避免大氣中的水蒸氣和二氧化碳等氣體對輻射測量的干擾，真空系統(tǒng)被引入，確保實(shí)驗(yàn)環(huán)境的真空度達(dá)到10?3 Pa，從而減少氣體吸收輻射的影響。

4.4 光學(xué)系統(tǒng)

光學(xué)系統(tǒng)采用球面反射鏡將試樣和黑體的輻射能量引導(dǎo)至光譜儀。該系統(tǒng)確保了在相同角度下輻射能量的精確對比，使得測量結(jié)果更加準(zhǔn)確。

5. 標(biāo)定與數(shù)據(jù)修正

光譜儀的標(biāo)定對于獲得可靠的發(fā)射率值至關(guān)重要。系統(tǒng)需對其視場尺寸（SSE）和測量線性度進(jìn)行標(biāo)定，確保測試結(jié)果不受影響。同時(shí)，采用去噪算法來分離試樣的輻射能與環(huán)境和儀器噪聲，從而提高測量精度。

6. 應(yīng)用領(lǐng)域

該傅里葉紅外光譜儀系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景，特別適用于以下領(lǐng)域：

• 材料表征：用于熱管理、航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域的材料發(fā)射率測量。

• 能源效率：測量各種節(jié)能材料的發(fā)射率，如隔熱材料。

• 環(huán)境監(jiān)測：在高溫環(huán)境中監(jiān)測材料的輻射特性，如在爐膛或反應(yīng)器中。

基于傅里葉紅外光譜儀的光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)提供了一種精確、可靠的材料發(fā)射率分析方法，適用于多種溫度和波長范圍。通過先進(jìn)的標(biāo)定方法、去噪算法及精心設(shè)計(jì)的組件，該系統(tǒng)大大提高了測量的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，為熱管理和材料科學(xué)的研究與應(yīng)用開辟了新的方向。