目标表面发射率对红外热像仪测温精度的影响

介绍了红外热像仪测温原理,分析了影响红外热像仪测温精度的因素,计算了不同表面发射率下红外热像仪的测温误差曲线。理论分析表明,目标表面发射率越高,红外热像仪测温精度越高。实验改变表面发射率的设置,计算了不同表面发射率对应的总辐射亮度,得到TP8型长波红外热像仪能够精确测温时,目标表面发射率必须大于0.5的结果。最后,对表面发射率分别为0.96、0.93和0.3的3种材料进行实际测温,结果表明,材料表面发射率较高时,红外热像仪具有较好的测温精度。     

目标表面发射率对红外热像仪测温精度的影响

介绍了红外热像仪测温原理,分析了影响红外热像仪测温精度的因素,计算了不同表面发射率下红外热像仪的测温误差曲线。理论分析表明,目标表面发射率越高,红外热像仪测温精度越高。实验改变表面发射率的设置,计算了不同表面发射率对应的总辐射亮度,得到TP8型长波红外热像仪能够精确测温时,目标表面发射率必须大于0.5的结果。最后,对表面发射率分别为0.96、0.93和0.3的3种材料进行实际测温,结果表明,材料表面发射率较高时,红外热像仪具有较好的测温精度。     

基于辐射加热源的材料高温发射率测量方法

材料高温辐射特性参数是量化研究热输运过程中的基本参数。本文将高能流太阳能聚集模拟器引入到材料高温发射率测量中,利用高能流太阳能聚集模拟器产生的可见光及近红外光谱辐射直接对样品进行加热,建立了材料中红外波段的高温发射率测量方法,避免了常规测量中封装窗口及高温炉体自身光谱辐射对测量的影响。基于该方法,采用红外热像仪、FTIR光谱仪等设备,搭建了实验平台,理论上可实现1700 K以内的样品发射率测量。采用该装置对某型钢进行了实验测量,获得了材料7~25μm波段内不同温度下的发射率曲线。     

红外热像仪参数的双黑体测量装置

对红外热像仪参数双黑体测量装置的工作原理进行了介绍。装置采用双黑体及反射型靶标为温差辐射源，可实现黑体温度温差准直辐射的定期校准和红外热像仪参数测量量值的溯源，也可实现红外热像仪参数的可控性，以及对它进行稳定的、可复现的精确测量。推导出利用红外热像仪参数双黑体测量装置测量信号传递函数SiTF数学模型，分析了红外热像仪参数测量装置的客观因素——仪器常数，针对仪器常数对SiTF测量的影响进行了试验。试验结果表明，仪器常数对红外热像仪SiTF参数测量精度影响较大，并同时影响时域与空域NETD及3D噪声的准确测量。     

非朗伯体红外测温计算研究

根据红外辐射理论和红外热像仪的测温原理,建立了红外热像仪测温的通用数学模型;基于物体表面法向发射率的特点,简化了热像仪测温的数学模型,得到了红外热像仪测温的计算公式。通过相关实验,验证了在一定的温度范围内,物体的发射率和反射率之和基本保持不变这一结论。物体的发射率与反射率之和a与物体种类、表面状况及物体温度有关。物体与朗伯体越接近,a越大,其值越接近于1;物体表面状况偏离朗伯体越远,表面越光滑,越小。实验表明,若物体接近朗伯体,则可将其视为朗伯体,无需进行实际物体修正;对于非朗伯体(特别是表面光滑且发射率较低的物体),需要对其红外测温进行修正,否则将增大测温误差,甚至偏离其真实温度很远。该研究表明,通过修正,可以对非朗伯体进行红外测温。     

物理实验研究性课题式教学方法的实现与探讨

介绍了开设研究性课题式物理实验课的方法和过程,并以"红外热像法材料表面发射率的定性研究"小课题为例展开论述,提高了相关实验仪器在教学中的利用价值,增强了学生的科学研究意识和综合素质.     

A3铁、304钢和201钢光谱发射率

随着科学技术日新月异的发展,红外测量技术在遥感、辐射测温、红外隐身、农业、医疗等领域都展现出了重要的应用前景。在花样众多的辐射测量中,材料的发射率是重要的参数之一。为满足材料发射率数据的需求,根据一套自主研制的光谱发射率测量装置对A3铁、304钢以及201钢在不同温度下的光谱发射率进行了精确的测量,并对影响发射率的几个因素做了深入的探究。结果显示：这三种钢材的发射率随温度升高而变大,同等温度下A3铁的发射率要高于304钢和201钢,且材料中的铬含量会降低材料的发射率值。采用XRD分析了三种材料表面氧化后的成分,并探讨了表面成分变化对发射率的影响。结果表明：A3铁氧化后生成不稳定的四氧化三铁Fe₃O₄和氧化亚铁FeO,各种成分的相互转变会导致光谱发射率发生较大的变化,而304钢和201钢表面氧化后主要生成氧化铬,因而光谱发射率也相对比较稳定。另外使用辐射光叠加原理和Christiansen效应成功解释了三种材料的发射率在大约10 μm处出现极大值的现象。该研究极大地丰富了三种材料的光谱发射率数据,为辐射测量技术在三种材料中的应用提供了强有力的数据支撑。     

MRTD高精度测试和校准技术研究

围绕红外热像仪成像参数MRTD（最小可分辨温差）测试问题开展研究，介绍了MRTD的测试方法以及MRTD测试装置—红外热像仪评估系统的工作原理，详细分析了MRTD测试过程中，红外热像仪测试位置、差分黑体温差、差分黑体发射率和光学系统几何像差等因素对测试结果的影响。针对这些问题，提出了采用红外扫描辐射计对红外热像仪评估系统温差进行校准的方法，利用该方法对某空间频率下热像仪MRTD进行测试，并给出了测试结果，为热像仪MRTD参数准确测试提供参考。     

温度变化下研磨金属表面反射率和发射率的测量

介绍了测量材料表面双向反射分布函数和发射率的原理和方法,搭建了532 nm和1 064 nm波长双向反射分布函数和表面发射率测量平台,对经金刚砂(320目)研磨后金属靶板表面的反射率和发射率及中等温升情况下的变化特性进行了实验测量。测量结果表明,粗糙金属靶板表面近似为朗伯辐射体,反射率低于0.25。在常温至320℃范围内,靶板表面反射分布、反射率和发射率的变化幅度较小。     

1.06μm连续激光辐照TiO_2/SiO_2/K_9薄膜元件温升规律研究

利用1.06μm连续激光在不同强度下辐照TiO2/SiO2/K9薄膜元件,实验中用红外热像仪测量激光辐照在TiO2/SiO2/K9元件表面引起的温升随时间的变化,通过数据处理,获得激光辐照区域最高温度随辐照时间的增加而增加。同时,给出材料温升随材料发射率的变化关系。并用程序模拟不同激光强度下薄膜温度场的分布,通过实验测量数据校正数值模拟计算结果,给出TiO2/SiO2/K9薄膜元件温度随激光辐照强度和辐照时间的变化规律。并且获得在薄膜厚度方向:薄膜表面温度最高,基底与薄膜接触处温度最低;沿径向:激光辐照中心温度最高,边沿温度最低。     

薄膜的光谱发射率

本文讨论了薄膜内的多次反射对低吸收薄膜光谱发射率的影响。这里推导出的薄膜发射率的表达式与薄膜厚度d和其光学常数n(λ）和k(λ）有关。在d→∞的特殊情况下，薄膜发射率与大块材料发射率相等。给出了实际数值评价及发射率与d、n(λ）和k(λ)相互关系的更为精确的数值结果。     

Ultrahigh infrared normal spectral emissivity of microstructured silicon coating Au film

We studied infrared normal spectral emissivity on quasi-periodic microstructured silicon, which was prepared by femtosecond laser irradiation in SF6 ambient gas, coated with 100 nm thick Au thin film. The observed emissivity is higher than any reported previously for a flat material with a thickness of less than 0.5 mm, at a temperature range of 200 °C to 400 °C. The emissivity over the measured wavelength region increases with temperature and the spike height. These results show the potential to be used as a flat blackbody source or for applications in infrared thermal sensor, detector, and stealth military technology.     

电子束蒸发法制备ZrO2薄膜的相变模型分析

 用电子束蒸发方法制备了纯的ZrO₂薄膜和含Y₂O₃摩尔分数为7%和13%的ZrO₂薄膜,即YSZ薄膜,通过测定薄膜的损伤阈值来验证温度诱导相变模型;并用X射线衍射（XRD）来测定ZrO₂和YSZ镀膜材料和薄膜的结构特征。结果表明：ZrO₂镀膜材料和薄膜室温下都表现为单斜相,YSZ镀膜材料和薄膜室温下都以立方相存在;YSZ薄膜的损伤阈值远高于ZrO₂薄膜的损伤阈值,这是因为添加Y₂O₃后的YSZ材料的相比较稳定,在蒸发过程中不会发生相变,而ZrO₂材料则发生相变,产生缺陷,缺陷在激光作用下成为吸收中心和初始破坏点,导致ZrO₂薄膜的损伤阈值降低。     

Preparation of a novel infrared low-emissive coating from the Cu powder modified by the polyethylene wax

Cu powder was coated with polyethylene wax via the flux-capping method in hope to avoid the oxidation of it, so the increment of the infrared emissivity of the coating can be greatly reduced. The prepared product was characterized by scanning electron microscopy (SEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and X-ray diffraction (XRD). The infrared emissivity of the prepared material was measured by Infrared Emissometer. The influence parameters that will affect the emissivity of the coating were systematically investigated, such as the content of coated Cu powder, coating fineness, coating thickness and aging process. The results indicated that the infrared emissivity value of the coating was reduced after Cu powder was coated with polyethylene wax. The polyethylene wax/Cu composites presented a homogenous sheet structure when the content of Cu powder increased to 30 wt.%, and it has a lower emissivity. The infrared emissivity of the coating increases rapidly as thickness increases and becomes steady above thickness of 70 μm. The composite coating exhibits lower emissivity value and excellent physical properties at coated Cu content of 20 wt.%. The emissivity of the coating that was prepared from the modification of the Cu powder was decreased with the decrement of the grinding fineness and increased with the aging time. The emissivity of the coating that was prepared from the modification of the Cu powder is always lower than that of the coating that only composed of the Cu powder with the increment of the aging time. Therefore, it can be concluded that the anti-oxidation of Cu powder is greatly improved after it was modified by polyethylene wax, which results in a novel coating with long-run low emissivity.     

Modelling the sensitivity of infrared emissivity of magnetic thin films to giant magnetoresistance

The correlation between emissivity and giant magnetoresistance (GMR) in magnetic thin films is investigated at infrared (IR) wavelengths using a thin-film model of emissivity. The sensitivity of emissivity to GMR is shown to depend upon film thickness, and agrees excellently with bulk-material results for films thicker than the material skin depth. However, for films thinner than the skin depth the sensitivity to GMR is shown to weaken. In addition, at mid-to-far IR wavelengths the spectral dependence of the correlation is investigated using a modified Drude-type expression for the refractive index combined with the thin-film model. This is applied to a multilayered GMR material, and the sensitivity of emissivity to GMR is shown to have a similar spectral dependence to that of the magnetorefractive effect. An analytical interpretation in terms of skin depth is also developed at long wavelengths, and shown to agree excellently with thin-film simulations.     

IRS400型材料发射率测试装置的研制

为了准确评估红外材料和涂层的隐身性能,研制了一套IRS400型材料发射率测试装置,主要用于温度范围（50～400）℃,光谱范围（3～5）m和（8～12）m的固体不透明材料和涂层定向发射率测量。给出IRS400型材料发射率测试装置的技术指标,阐述其工作原理,IRS400的光学系统采用全反射式设计,探测器选用钽酸锂热释电探测器,采用50 ℃～1 000 ℃黑体辐射源标准装置对黑体发射率B（1,2）进行标定。通过解决标定和环境温度补偿等关键技术,确保发射率测量不确定度小于2%(k=2)。     

ITO导电膜红外发射率理论研究

根据红外辐射理论和薄膜光学原理计算了高品质ITO(indium tin oxide)导电膜的红外发射 率,其理论曲线与实测曲线基本符合. 并得出方块电阻小于30Ω时,ITO膜在红外波段8—14μ m的平均红外发射率理论值小于0.1.实际制备方块电阻小于10Ω的ITO膜具有优良的红外隐身 性能. 讨论了高品质ITO膜具有低红外发射率的物理机理,并提出了低红外发射率临界方块电 阻值,这有利於理论研究和工艺制备红外隐身ITO膜. 关键词： 红外发射率 ITO薄膜 理论计算 方块电阻     

结合傅里叶变换合成法设计均匀薄膜

基于傅里叶变换合成法的基本原理,合成了一个K9基底上的负滤光片,合成的渐变折射率薄膜具有期望光学特性,但实际制备难度很大,因此将其细分为足够多层离散折射率的均匀薄膜,由于实际薄膜材料种类有限,不能获得任意折射率膜层,鉴于两层高低折射率薄层可近似为一层中间折射率膜层的思想,将膜系转化成一个可实际制备的膜系结构:膜系采用ZrO2和SiO2两种膜料,膜层总数为183层,经单纯形调法优化后,膜层总厚度为7.09 μm,通带和截止带内平均透射比分别为97.56%和3.13%,其结果优于直接采用傅里叶方法合成的非均匀膜系,与期望透射比曲线吻合更好.说明通过这种思想设计任意光谱特性的膜系是可行的,也使傅里叶变换合成法设计的薄膜实际制备成为可能.     

特定折射率材料及光学薄膜制备

根据太阳电池阵激光防护膜性能优化的需要,应用离子辅助电子束双源共蒸工艺方法制备了优化设计所需的特定折射率的薄膜材料并用于制备激光防护膜。测试结果显示:用该工艺方法制备的掺杂材料薄膜的折射率n=1.75,与优化设计所需数值相符;激光防护膜性能优良,太阳辐射能透过率提高6%以上,实现了对该激光防护膜性能的进一步优化。为了使该双源共蒸方法适于大面积薄膜的制备,应用均匀性挡板技术来提高该方法制备大面积薄膜的膜厚均匀性,使制备的掺杂材料薄膜在口径为400 mm时的不均匀性小于2.1%。该双源共蒸方法制备工艺简单、可靠,适于实际工程应用。薄膜性能测试结果与理论优化结果相符,达到预期优化目标。     

薄膜和半无限大介质间的近场辐射换热研究

研究了硼掺杂硅(记为Si-19)薄膜和半无限大物体(Si-19和SiC)在100 nm真空间距下的近场辐射换热随薄膜厚度的变化。研究结果表明,当半无限大物体和薄膜为相同的Si-19材料时,由于表面波激发并相互耦合,使得近场辐射换热随薄膜的厚度变化比较复杂。当半无限大物体为SiC材料时,由于表面波的耦合遭到破坏以及辐射体的高发射率频率区和吸收体的高吸收率频率区不匹配,导致表面波的激发对不同材料间的近场辐射换热的增强程度降低,因此在相同计算区域内热流密度随厚度的增加单调增加,没有出现极值点。