李希明， 李文軍， 顧喆涵， 周 恩， 章龍飛

（中國計量學院，浙江杭州 310018）

在中低溫條件下環(huán)境輻射對光譜發(fā)射率測量的影響

李希明， 李文軍， 顧喆涵， 周 恩， 章龍飛

（中國計量學院，浙江杭州 310018）

討論了有效光譜發(fā)射率和有效亮度溫度的概念。介紹了光譜發(fā)射率的測量方法及測量裝置。在考慮到環(huán)境輻射的情況下，給出了光譜發(fā)射率的計算方程，指出中低溫條件下的光譜發(fā)射率測量必須考慮環(huán)境輻射的影響，否則會出現(xiàn)較大的誤差。

計量學；有效光譜發(fā)射率；有效亮度溫度；環(huán)境輻射；黑體空腔

1 引 言

在材料科學中，發(fā)射率是一個表征材料表面熱輻射特性的重要參數，在軍事、能源、冶金、紡織等領域均有廣泛的應用。在輻射測溫中，發(fā)射率尤其是光譜發(fā)射率的測量占有特殊的位置，因為它是獲得有效準確的溫度測量結果的基礎。因此，發(fā)射率測量是輻射測溫學的主要研究內容之一。

光譜發(fā)射率是一個相當復雜的參數，受到眾多因素的影響。它不僅與波長和溫度有關，還與材料表面狀況、發(fā)射角以及輻射的偏振狀態(tài)有關。當被測對象或樣品已確定的情況下，則需要研究它與波長及溫度的關系。

隨著輻射測溫向中低溫特別是300℃以下方向拓展，環(huán)境輻射對光譜發(fā)射率測量的影響逐步顯現(xiàn)出來。溫度越低，影響越大。目前，環(huán)境輻射的影響已成為輻射測溫的研究熱點，它對于準確地確定溫度量值具有重要意義［1］。

鑒于環(huán)境輻射的引入，輻射測溫學中的某些理論概念需要深入討論并賦予更加全面的含義。

2 有效輻射與有效光譜發(fā)射率

有效輻射是傳熱學中的一個概念。通常情況下，任何一個輻射源的熱輻射均是由兩部分所組成：一是輻射源表面本身熱輻射；二是該表面對周圍環(huán)境熱輻射的反射。這兩部分的疊加稱為該輻射源的有效輻射［2］。如果以光譜（單色）輻射亮度來表示，就有下式

式中，Le（λ，T）為輻射源在波長為λ和溫度為T的情況下的有效光譜輻射亮度；ε（λ，T）為輻射源表面本身的光譜發(fā)射率；Lb（λ，T）為在相同波長和溫度下的黑體光譜輻射亮度；Lb（λ，Tam）為在同一波長下，對應于環(huán)境溫度Tam的黑體光譜輻射亮度。

在過去，輻射測溫主要用于高溫如800℃以上。這時，式（1）右側的第2項與第1項相比是極小的，通常可以忽略。而在中低溫下，第2項必須加以考慮［3］。

根據光譜發(fā)射率的定義，將式（1）中的輻射源的有效光譜輻射亮度與在同一波長和溫度下的黑體光譜輻射亮度相比，就給出該輻射源表面的有效光譜發(fā)射率，由下式表示

式中，εe（λ，T）為輻射源表面在波長λ和T下的有效光譜發(fā)射率。

3 有效亮度溫度

當輻射源表面的有效光譜輻射亮度與黑體在同一波長下的光譜輻射亮度相等時，則黑體的溫度被稱為輻射源在此波長下的有效亮度溫度［3］，其定義式為

式中，Te為黑體的溫度，即輻射源在波長λ下的有效亮度溫度。

引入有效亮度溫度的意義在于把非黑體的有效輻射與黑體的輻射聯(lián)系起來，從而可以用Plank公式進行計算。

把式（1）與式（3）加以比較，得出

與經典的亮度溫度概念相比，有效亮度溫度的概念引入了環(huán)境輻射的因素，這在中低溫條件下是非常重要的。實際上，用輻射溫度計對輻射源進行溫度測量，測得的是在該溫度計工作波長下的有效亮度溫度［4］。由上述討論中可以看出，無論是有效輻射以及有效光譜發(fā)射率，還是有效亮度溫度的概念，均要考慮到環(huán)境輻射的影響。與過去提出的概念相比，新概念則更加全面。

4 測量方法與裝置

在光譜發(fā)射率的測量中，存在著眾多的方法，如能量法、量熱法、積分球反射計法和熱腔法等。這些方法大致可以分為兩類：直接法和間接法。前者是從光譜發(fā)射率定義出發(fā)，而后者則是根Kirchhoff定律由光譜反射率來導出光譜發(fā)射率。

本文采用的是屬于直接法中的能量法，并采取獨立黑體方案，見圖1。

圖1 獨立黑體裝置

參考黑體是圓柱形黑體空腔輻射源。它的溫度范圍為－10～500℃。腔的內壁噴有高發(fā)射率（發(fā)射率在0.90以上）的涂層，腔底中心的有效發(fā)射率在0.998以上，它的溫度由標準鉑電阻溫度計測量。

被測樣品置于可控溫的樣品加熱裝置的端面，其溫度范圍為50～500℃，控溫精度為±1℃。使用的輻射溫度計有3種，分別是工作波長為2.5 μm、3.9μm、10μm的溫度計。它們事先分別由帶有標準器的黑體輻射源進行分度。

在實驗中，溫度計是瞄準黑體空腔的底部?？紤]到環(huán)境輻射對黑體輻射的干擾，在腔口設置了一定孔徑的光闌，以把這種干擾減小到可以忽略的程度。溫度計對被測樣品的瞄準須預先進行試驗，以確定最佳的測量距離，從而避免可能產生的瞄準誤差［5］。

5 光譜發(fā)射率的計算方程

光譜發(fā)射率測量的目標是要確定被測樣品表面本身的光譜發(fā)射率ε（λ，T），而不是確定包含環(huán)境輻射因素的有效光譜發(fā)射率εe（λ，T）［6］。

該式是考慮了環(huán)境輻射影響的光譜發(fā)射率計算式。在實驗室條件下，環(huán)境溫度Tam通常是在20～25℃范圍內，有效亮度溫度Te是被測樣品在處于溫度T時，以及在工作波長λ下的溫度計的讀數。在實驗中，黑體空腔腔底溫度必須調整到與被測樣品溫度相同時，才能進行溫度計對腔底的讀數。

由式（4）可以導出樣品表面本身的光譜發(fā)射率，即

6 比較與分析

實際上，在不考慮環(huán)境輻射影響的情況下，得出的測量結果是被測樣品的有效光譜發(fā)射率εe（λ，T）。它與樣品本身的光譜發(fā)射率的差異，即光譜發(fā)射率的修正值Δε列于表1和表2。這里

它們分別是在光譜發(fā)射率大約在0.5和0.8時不同波長和溫度下給出的數據。

表1 光譜發(fā)射率約在0.5的修正值Δε

表2 光譜發(fā)射率約在0.8的修正值Δε

對表1和表2的數據進行分析，得出以下幾點：

（1）樣品本身的光譜發(fā)射率比它的有效光譜發(fā)射率要低，即修正量Δε為負值。

（2）溫度越低，則修正量Δε在數值上就越大。隨著溫度的升高，兩者逐步趨于一致。

（3）波長越長，則修正量Δε在數值上就越大，也就是環(huán)境輻射的影響越大。因此，在光譜發(fā)射率的測量中盡量采用工作波長較短的溫度計，以減小環(huán)境輻射的影響。

（4）被測對象本身的光譜發(fā)射率越高，則修正量在數值上越小，也就是環(huán)境輻射對高發(fā)射率測量對象的影響較小。

7 結 論

（1）在輻射測溫趨向中低溫與長波的情況下，無論對溫度測量，還是對光譜發(fā)射率的測量，環(huán)境輻射的影響均是不可忽略的。

（2）在中低溫測量中，引入有效光譜發(fā)射率和有效亮度溫度的新概念具有重要意義。

（3）在光譜發(fā)射率測量中，環(huán)境輻射的影響在中低溫條件下十分明顯。隨著溫度的降低和波長的增加，這種影響是非常大的，必須進行修正。

［1］ 崔志尚.溫度計量與測試［M］.北京：中國計量出版社，1998.

［2］ Furukawa T，luchi T.Experimental apparatus for radiometric emissivity measurements of metals［J］.ReviewofScientificInstruments，2000，71（7）：2843－2847.

［3］ Monte C，Gutschwager B，Morozova S P.Radiation thermometry and emissivity measurements under vacuum at the PTB［J］.InternationalJournalofThermophysics，2008，30（1）：203－219.

［4］ 戴景民.輻射測溫的發(fā)展現(xiàn)狀與展望［J］.自動化技術與應用，2004，23（3）：1－7.

［5］ 原遵東.有效亮度溫度理論［J］.計量學報，2009，30（6）：493－497.

［6］ 戴景民，宋揚，王宗偉.光譜發(fā)射率測量技術［J］.紅外與激光工程，2009，38（4）：710－715.

Effect on Environment Radiation in Measurements for Spectral Em issivity atMedium and Low Tem peratures

LIXi-ming， LIWen-jun， GU Zhe-han， ZHOU En， ZHANG Long-fei
（China Jiliang University，Hangzhou，Zhejiang 310018，China）

Both effective spectral emissivity and radiance temperature are discussed.The measuring methods and apparatus of spectral em issivity are introduced.The calculation equation for spectral emissivity is given，which has a concern with the environment radiation.It indicates that the effectof environment radiation should be taken into account on themeasurements for spectral emissivity atmedium and low temperatures，otherwise a significantmeasuring error will be introduced.

Metrology；Effective spectral emissivity；Effective radiance temperature；Environment radiation； Blackbody cavity

TB942

A

1000-1158（2014）01-0010-03

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．01．03

2013-08-12；

2013-11-01

李希明（1988－）男，福建南平人，中國計量學院研究生，主要從事材料發(fā)射率測量的研究。liximingkdk＠gmail.com