基于傅立叶红外光谱仪的材料光谱发射率测量技术的研究

【摘要】： 发射率是描述物体热辐射特性的重要参数,在航天、航空、国防、科学研究及工农业生产等领域中具有重要研究意义和应用价值。例如,当航天飞机、卫星在空间飞行时,它们表面的辐射特性数据是其热控制的重要依据。在红外制导武器对抗中,对导弹火焰和蒙皮辐射特性数据的掌握是能否突防的关键,而对军事目标辐射特性的认知又是能否有效攻击和隐身的重要因素。在民用领域中,在粮食、油漆、皮革烘干、电采暖中,加热体辐射特性的控制是节能降耗和提高生产效率的重要技术。在辐射测温技术中,发射率是现有测温方法中想得到目标真温而必须先知的唯一参数,也是影响目前辐射测温技术广范应用的瓶颈技术。 材料发射率不仅取决于材料的组成成分和材料的表面状态(粗糙度、氧化等),还与材料的温度、考察的波长及观察的方向等因素有关。它不是物质的本征特性,随外界条件变化,不易测得。多年来,各国学者进行了大量和深入的研究,提出了很多测量方法,研制了种类繁多的测量设备,得到大量热物性数据。但是不得不承认:目前发射率的测量技术水平还不够高,数据分散性较大,而且我国还处于起步状态。因此,本文在国家自然科学基金和航天材料与工艺研究所的资金支持下,在建立基于傅里叶红外光谱仪的光谱发射率测量装置的基础上,对光谱发射率测量技术进行深入的研究。本文主要完成了以下几方面的创新性研究工作: 1.研制基于傅里叶红外光谱仪的材料光谱发射率测量装置。设计了试样加热炉、参考黑体炉、反射式聚光光路、恒温环境腔体和真空系统。采用恒温环境辐射补偿技术,有效地消除背景辐射的影响。系统的主要技术指标优于国际同类装置。 2.考虑到环境辐射对测量结果的影响,提出了背景辐射补偿新算法。测量环境的背景辐射包括两个部分:一是光谱仪内部辐射,另一个是光谱仪外部辐射,它们通过一定的方式耦合到光谱仪中去,给测量结果造成较大影响。本文提出了两次测量的环境补偿新算法,有效消除了环境的影响。 3.从维恩位移定律得到启示,提出一种基于光谱测量温度的新方法。采用傅里叶红外光谱仪,测量目标的辐射光谱曲线,找到曲线峰值时的波长,再根据维恩位移定律得到目标的温度,称为光谱极值法。理论上分析了采用该方法测量黑体目标和实际目标的不确定度,建立了验证装置,并进行验证实验,理论和实验都证明了该方法具有较高的测量精度和实用性。 4.利用本文研制的光谱发射率测量装置,对两种航天材料的光谱发射率进行了测量实验研究,揭示了材料光谱辐射特性随波长和温度的变化规律。对测量系统进行了不确定度分析,结果表明系统测量不确定度满足设计要求。 系统研制后,受多个单位的委托,进行了多种材料的发射率测量试验,给委托单位提供了详细的测量数据,为委托单位的材料(型号)设计提供了基础数据,体现了该系统研制的必要性。