在中低温条件下环境辐射对光谱发射率测量的影响

李希明， 李文军， 顾喆涵， 周 恩， 章龙飞

（中国计量学院，浙江杭州 310018）

在中低温条件下环境辐射对光谱发射率测量的影响

李希明， 李文军， 顾喆涵， 周 恩， 章龙飞

（中国计量学院，浙江杭州 310018）

讨论了有效光谱发射率和有效亮度温度的概念。介绍了光谱发射率的测量方法及测量装置。在考虑到环境辐射的情况下，给出了光谱发射率的计算方程，指出中低温条件下的光谱发射率测量必须考虑环境辐射的影响，否则会出现较大的误差。

计量学；有效光谱发射率；有效亮度温度；环境辐射；黑体空腔

1 引 言

在材料科学中，发射率是一个表征材料表面热辐射特性的重要参数，在军事、能源、冶金、纺织等领域均有广泛的应用。在辐射测温中，发射率尤其是光谱发射率的测量占有特殊的位置，因为它是获得有效准确的温度测量结果的基础。因此，发射率测量是辐射测温学的主要研究内容之一。

光谱发射率是一个相当复杂的参数，受到众多因素的影响。它不仅与波长和温度有关，还与材料表面状况、发射角以及辐射的偏振状态有关。当被测对象或样品已确定的情况下，则需要研究它与波长及温度的关系。

随着辐射测温向中低温特别是300℃以下方向拓展，环境辐射对光谱发射率测量的影响逐步显现出来。温度越低，影响越大。目前，环境辐射的影响已成为辐射测温的研究热点，它对于准确地确定温度量值具有重要意义［1］。

鉴于环境辐射的引入，辐射测温学中的某些理论概念需要深入讨论并赋予更加全面的含义。

2 有效辐射与有效光谱发射率

有效辐射是传热学中的一个概念。通常情况下，任何一个辐射源的热辐射均是由两部分所组成：一是辐射源表面本身热辐射；二是该表面对周围环境热辐射的反射。这两部分的叠加称为该辐射源的有效辐射［2］。如果以光谱（单色）辐射亮度来表示，就有下式

式中，Le（λ，T）为辐射源在波长为λ和温度为T的情况下的有效光谱辐射亮度；ε（λ，T）为辐射源表面本身的光谱发射率；Lb（λ，T）为在相同波长和温度下的黑体光谱辐射亮度；Lb（λ，Tam）为在同一波长下，对应于环境温度Tam的黑体光谱辐射亮度。

在过去，辐射测温主要用于高温如800℃以上。这时，式（1）右侧的第2项与第1项相比是极小的，通常可以忽略。而在中低温下，第2项必须加以考虑［3］。

根据光谱发射率的定义，将式（1）中的辐射源的有效光谱辐射亮度与在同一波长和温度下的黑体光谱辐射亮度相比，就给出该辐射源表面的有效光谱发射率，由下式表示

式中，εe（λ，T）为辐射源表面在波长λ和T下的有效光谱发射率。

3 有效亮度温度

当辐射源表面的有效光谱辐射亮度与黑体在同一波长下的光谱辐射亮度相等时，则黑体的温度被称为辐射源在此波长下的有效亮度温度［3］，其定义式为

式中，Te为黑体的温度，即辐射源在波长λ下的有效亮度温度。

引入有效亮度温度的意义在于把非黑体的有效辐射与黑体的辐射联系起来，从而可以用Plank公式进行计算。

把式（1）与式（3）加以比较，得出

与经典的亮度温度概念相比，有效亮度温度的概念引入了环境辐射的因素，这在中低温条件下是非常重要的。实际上，用辐射温度计对辐射源进行温度测量，测得的是在该温度计工作波长下的有效亮度温度［4］。由上述讨论中可以看出，无论是有效辐射以及有效光谱发射率，还是有效亮度温度的概念，均要考虑到环境辐射的影响。与过去提出的概念相比，新概念则更加全面。

4 测量方法与装置

在光谱发射率的测量中，存在着众多的方法，如能量法、量热法、积分球反射计法和热腔法等。这些方法大致可以分为两类：直接法和间接法。前者是从光谱发射率定义出发，而后者则是根Kirchhoff定律由光谱反射率来导出光谱发射率。

本文采用的是属于直接法中的能量法，并采取独立黑体方案，见图1。

图1 独立黑体装置

参考黑体是圆柱形黑体空腔辐射源。它的温度范围为－10～500℃。腔的内壁喷有高发射率（发射率在0.90以上）的涂层，腔底中心的有效发射率在0.998以上，它的温度由标准铂电阻温度计测量。

被测样品置于可控温的样品加热装置的端面，其温度范围为50～500℃，控温精度为±1℃。使用的辐射温度计有3种，分别是工作波长为2.5 μm、3.9μm、10μm的温度计。它们事先分别由带有标准器的黑体辐射源进行分度。

在实验中，温度计是瞄准黑体空腔的底部。考虑到环境辐射对黑体辐射的干扰，在腔口设置了一定孔径的光阑，以把这种干扰减小到可以忽略的程度。温度计对被测样品的瞄准须预先进行试验，以确定最佳的测量距离，从而避免可能产生的瞄准误差［5］。

5 光谱发射率的计算方程

光谱发射率测量的目标是要确定被测样品表面本身的光谱发射率ε（λ，T），而不是确定包含环境辐射因素的有效光谱发射率εe（λ，T）［6］。

该式是考虑了环境辐射影响的光谱发射率计算式。在实验室条件下，环境温度Tam通常是在20～25℃范围内，有效亮度温度Te是被测样品在处于温度T时，以及在工作波长λ下的温度计的读数。在实验中，黑体空腔腔底温度必须调整到与被测样品温度相同时，才能进行温度计对腔底的读数。

由式（4）可以导出样品表面本身的光谱发射率，即

6 比较与分析

实际上，在不考虑环境辐射影响的情况下，得出的测量结果是被测样品的有效光谱发射率εe（λ，T）。它与样品本身的光谱发射率的差异，即光谱发射率的修正值Δε列于表1和表2。这里

它们分别是在光谱发射率大约在0.5和0.8时不同波长和温度下给出的数据。

表1 光谱发射率约在0.5的修正值Δε

表2 光谱发射率约在0.8的修正值Δε

对表1和表2的数据进行分析，得出以下几点：

（1）样品本身的光谱发射率比它的有效光谱发射率要低，即修正量Δε为负值。

（2）温度越低，则修正量Δε在数值上就越大。随着温度的升高，两者逐步趋于一致。

（3）波长越长，则修正量Δε在数值上就越大，也就是环境辐射的影响越大。因此，在光谱发射率的测量中尽量采用工作波长较短的温度计，以减小环境辐射的影响。

（4）被测对象本身的光谱发射率越高，则修正量在数值上越小，也就是环境辐射对高发射率测量对象的影响较小。

7 结 论

（1）在辐射测温趋向中低温与长波的情况下，无论对温度测量，还是对光谱发射率的测量，环境辐射的影响均是不可忽略的。

（2）在中低温测量中，引入有效光谱发射率和有效亮度温度的新概念具有重要意义。

（3）在光谱发射率测量中，环境辐射的影响在中低温条件下十分明显。随着温度的降低和波长的增加，这种影响是非常大的，必须进行修正。

［1］ 崔志尚.温度计量与测试［M］.北京：中国计量出版社，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.辐射测温的发展现状与展望［J］.自动化技术与应用，2004，23（3）：1－7.

［5］ 原遵东.有效亮度温度理论［J］.计量学报，2009，30（6）：493－497.

［6］ 戴景民，宋扬，王宗伟.光谱发射率测量技术［J］.红外与激光工程，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，中国计量学院研究生，主要从事材料发射率测量的研究。liximingkdk＠gmail.com