基于傅里葉紅外光譜儀的光譜發射率測量裝置

光譜發射率的測量在材料特性研究中扮演著至關重要的角色，尤其在需要精確熱管理和材料表征的領域中尤為重要。光譜發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）測量系統的光譜發射率測量技術，并探討了其設計原理、系統組成及應用。

1. 光譜發射率概述

光譜發射率是指某材料在給定溫度下單位面積內的輻射功率與黑體輻射功率的比值。與總發射率不同，光譜發射率是波長相關的，它能提供更細致的材料輻射信息。精確的光譜發射率測量在材料科學、熱管理和節能等多個領域都具有重要意義。

2. 測量原理

光譜發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行對比，進而計算發射率。根據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，測量系統需精確控制溫度，并采用高精度的光學系統將輻射能量引導至光譜儀。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，進而計算發射率。

3. 傅里葉紅外光譜儀設計

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

• 用于將入射光分成兩束，產生干涉圖案，利用傅里葉變換技術得到光譜信息。

• 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. 系統組件

4.1 黑體爐

黑體爐是系統中的標準輻射源，具有接近1的發射率，并用于系統的校準。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

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

4.3 真空系統

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，真空系統被引入，確保實驗環境的真空度達到10?3 Pa，從而減少氣體吸收輻射的影響。

4.4 光學系統

光學系統采用球面反射鏡將試樣和黑體的輻射能量引導至光譜儀。該系統確保了在相同角度下輻射能量的精確對比，使得測量結果更加準確。

5. 標定與數據修正

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

6. 應用領域

該傅里葉紅外光譜儀系統具有廣泛的應用前景，特別適用于以下領域：

• 材料表征：用于熱管理、航空航天、汽車工業等領域的材料發射率測量。

• 能源效率：測量各種節能材料的發射率，如隔熱材料。

• 環境監測：在高溫環境中監測材料的輻射特性，如在爐膛或反應器中。

基于傅里葉紅外光譜儀的光譜發射率測量系統提供了一種精確、可靠的材料發射率分析方法，適用于多種溫度和波長范圍。通過先進的標定方法、去噪算法及精心設計的組件，該系統大大提高了測量的準確性和可重復性，為熱管理和材料科學的研究與應用開辟了新的方向。