1、第六章 红外辐射测量仪器及基本参数测量 教学目的：使学生了解红外辐射测量中常用的基本仪器设备及其工作原理，并掌握红外基本辐射量、发射率、反射比、红外吸收比和透射比的测量方法。v教学方法：面授v教学手段：结合实验.现场演示v学时分配：8v重点、难点：掌握红外辐射基本参数v作业布置：无v辅导安排：无v教学内容：如下v本章主要介绍红外辐射测量中常用的基本设备。同时讨论红外辐射基本参数，如发射率、反射比以及吸收与透射光谱的测量原理和方法。6.1 红外辐射测量仪器 1.1.单色仪单色仪v定义：单色仪是利用分光元件（棱镜或光栅）从复杂辐射中获得紫外、可见和红外光谱且具有一定单色程度光束的仪器。v组成：由狭
2、缝、准直镜和分光元件按一定排列方式组合而成。v应用：单色仪作为独立的仪器使用时，可用于物体的发射、吸收、反射和透射特性的分光辐射测量和光谱研究，也可用于各种探测器的光谱响应测量。若把单色仪与其他体系组合在一起，则可构成各种光谱测量仪器，如红外光谱辐射计和红外分光光度计等。vv早期的单色仪多采用棱镜作为色散元件如图6-1 v角色散为 v （6-1）v棱镜的材料和形状最终决定了棱镜的分辨本领。v分辨本领是指分离开两条邻近谱线的能力 ddnAnAdd21222sin12sin2 图6-1 棱镜对单色光的折射v则其理论分辨本领R即：v （6-2）v图6-2所示为一种具有三角形线槽的反射式平面衍射光栅，
3、称为闪耀光栅。闪耀光栅每个缝的平面和光栅平面之间有一个角度，每个缝对入射光产生衍射作用。ddnbRv闪耀光栅主极大的位置服从光栅方程式v （6-3）vm为衍射级次级，m=0，1，2，b为光栅常数；i为入射角；为衍射角。v将式（6-3）对微分即可求出交色散率d/d为v （6-4）)sin(sinibmcosbmdd图6-2 闪耀光栅的横剖面图v光栅的分辨本领R也具有式（6-2）的形式，即v（6-5）v式中W是有效孔径宽度，W=bNcos，其中b是一条划线的宽度，N是划线总数，是衍射角。将式（6-4）代入上式得v（6-6）v由式（6-6）可知，光栅的分辨本领与划线总数N和光谱的级数m成正比。ddW
4、R mNR v单色仪的工作原理可用图6-3所示的反射式单色仪光路系统加以说明。来自辐射源的辐射束穿过入射狭缝S1后，经抛物面准直反射镜M1反射变成平行光束投射到平面反射镜M2，再被反射进入色散棱镜P，于是被分解为不同折射角的单色平行光束，经另一抛物面反射镜M3反射，并聚焦于出射狭缝S2输出。色散棱镜P与平面反射镜M2的v 图6-3 反射式单色仪光路系统略图v2.光谱辐射计光谱辐射计v定义和组成：光谱辐射计是在窄光谱区间测量光谱辐射通量的装置。辐射计是在宽光谱区间测量辐射通量的装置。图6-4 辐射计原理v图6-5给出了光谱辐射计的结构示意图。光谱辐射计主要由两个部分组成：产生窄谱带辐射的单色仪和
5、测量此辐射通量的辐射计。图6-5 光谱辐射计的结构示意图v3.红外分光光度计红外分光光度计v定义和组成：红外分光光度计也称红外光谱仪，是进行红外光谱测量的基本设备，结构如图6-6所示。主要由辐射源、单色仪、探测器、电子放大器和自动记录系统等构成图6-6 色散型双光束红外分光光度计结构方框图v分类：红外分光光度计根据其结构特征可分为单光束分光光度计和双光束分光光度计两种。在全自动快速光谱分析中，多采用双光束分光光度计，双光束分光光度计又有不同结构及工作原理，最常见的是双光束光学自动平衡系统和双光束电学平衡系统。图6-7 红外分光光度计光路图v典型的双光束电学平衡式红外光谱仪的光学系统，如图6-8
6、所示。v v v 图6-8 双光束电学平衡式红外光谱仪的光学系统v4.傅里叶变换红外光谱仪傅里叶变换红外光谱仪v功能功能：是使光源发出的光分为两束后造成一定的光程差，再使之复合以产生干涉，所得到的干涉图函数包含了光源的全部频率和强度信息。用计算机将干涉图函数进行傅里叶变换，就可计算出原来光源的强度按频率的分布。如果在复合光束中放置一个能吸收红外辐射的试样，由所测得的干涉图函数经过傅里叶变换后与未放试样时光源的强度按频率分布之比值，即可得到试样的吸收光谱。v组成组成：迈克尔逊干涉仪和计算机组成。迈克尔逊干涉仪主要的。v傅里叶变换红外光谱仪由以下四部分组成。v（1）光源v（2）分束器v（3）探测器
7、v（4）数据处理系统v由傅里叶变换红外光谱仪获得所需光谱，一般必须遵循如下步骤：v（1）当干涉仪动镜M1随时间作匀速移动时，记录相应的信号，测出I(x)值（等间隔取样）；图6-9 迈克耳逊干涉仪工作原理v（2）由实验测定光程差x=0时的I(0)；v（3）将I(x)I(0)/2代入方程，对于选定的频率计算出积分；v（4）对于每一频率完成方程的积分，即可得到S()与的光谱曲线图。v与红外分光光度计相比，傅里叶变换红外光谱仪有以下优点。v1）扫描时间短，信噪比高v2）光通量大v3）具有很高的波数准确度v4）具有较高的和恒定的分辨能力v5）具有很宽的光谱范围和极低的杂质辐射v5.多通道光谱仪多通道光谱
8、仪v多通道光谱仪与单色仪的相同之处在于均采用棱镜或光栅作为色散元件，与单色仪的不同之处在于能同时在很多波长的通道内收集色散能量。图6-10 多通道光谱仪的基本结构6.2 基本辐射量的测量基本辐射量的测量v1.辐射亮度的测量辐射亮度的测量v假定用下角标“s”表示与标准辐射源有关的量，而下角标“x”表示与待测辐射源有关的量。很显然，若定义仪器的光谱辐射亮度响应度RL()为，则v （6-7）v其中V()为在波长处仪器的光谱输出电压；Le()为入瞳处的被测光谱辐射亮度。借助此关系式，可以写出在12波段内的响应度为v （6-8）)()()(eLLVR2121)()()(dLdRLLVReLeeLv此时，
9、用标准辐射源在处测得的电压为v （6-9）v在12波长内测得的电压为v （6-10）v式中Ls()为标准辐射源的光谱辐射亮度。同样，用待测辐射源所测得的电压为Vx和Vx，则v （6-11）)()(LssRLV21)()(dRLVLss)()(LxxRLV v （6-12）v其中Lx()为待测样品的光谱辐射亮度，于是可求得待测辐射源的辐射亮度为v （6-13）v v （6-14）v其中Ls和Ls为标准辐射源在入射光瞳处的光谱辐射亮度和总辐射亮度。v在运用式（6-13）和式（6-14）的最终结果时，不必考虑仪器的响应度，仅仅要求知道辐射源的光谱辐射亮度，以及仪器的输出电压信号就可以了。v。21)(
10、)(dRLVLxx ssxLxxLVVRVL)(ssxssxLxxLVVdLVVRVL21)(v2.辐射强度的测量辐射强度的测量v辐射源的辐射强度是通过辐射照度的测量来获得的。假设辐射穿过透射率为a的大气后，在距离为d处产生的辐射照度为E，当d远大于辐射源的线度时，辐射强度为v v （6-15）vEd2为表观辐射强度。v如果辐射源是扩展辐射源，v （6-16）aEdI2AdALIcosv3.总辐射通量的测量图总辐射通量的测量图6-11 积分球原理积分球原理v积分球也称积分光度计。它是一个内壁涂白色漫反射涂层，球内放待测光源的完整球壳。由光源发射并经球壁漫反射的一部分辐射通过球壁上的一个小孔（窗
11、口）射到测量用的接收器上。这部分辐射通量应正比于光源所发出的总辐射通量。图6-11 积分球原理v如图6-11所示为一个半径为R的积分球，其中Cv是待测辐射源，可以放在球内任意位置。假设球内壁各点都能产生均匀的漫反射，其漫反射比为，球心在O处，辐射源所发出的总辐射通量为。如果在C和球壁上一点B之间放一档屏，挡去直接射向B点的辐射，则在B点的辐射照度为v （6-17）v球壁上任何位置的辐射照度与辐射源的总辐射通量成正比。如果在图6-11的C处依次放入标准源和待测源，由它们分别在窗口处产生的辐射照度为Es和Ex，则待测源的总辐射通量为v （6-18）v式中s为标准源的总辐射通量。142REssxxE
12、E v如果所选用的探测器是无光谱选择性的，而且是均匀响应的，那么就可以用相应的电信号表示待测源的辐射通量，即v （6-19）vix为用待测辐射源时所产生的光电流；is为用标准辐射源时所产生的光电流。v如果C位于球心，设辐射源的最大尺寸为2b，窗口的直径为2a，则挡屏的半径为d=a+2(b-a)/3。v通常要求辐射源的最大尺寸不超过球壳直径的1/10。尺寸较大的辐射源应选用直径较大的积分球。ssxxii v实际的积分球并不满足上述的理想条件，其主要原因如下：v（1）球内壁不可能发出理想的漫反射；v（2）球内壁各点的漫反射率不可能是严格相同的；v（3）挡屏不仅遮挡了源的辐射，而且也在球壁上形成了一
13、定的阴影；v（4）落在辐射源、悬浮装置以及挡屏上的辐射要被它们反射或吸收；v（5）在窗口或接收器处不可能完全像朗伯余弦定律那样传输辐射或吸收辐射，对于掠入射和正入射的情况也是不同的，等等。v因此，在使用积分之前，应该对积分球的测试精度进行检验。6.3 红外发射率测量红外发射率测量v（1）根据定义，发射率是实际物体与黑体在相同条件（温度、光谱范围和几何条件）下的辐射之比。因此，报道测量结果时应指明测试条件，并把测量结果严格地说成是在某温度、光谱范围和方向上的发射率。如500K时的半球全发射率h（500K）或800K时5m处的法向光谱发射率n（5m，800K）等。v（2）必须对样品状态有完整的描述
14、：因为材料发射率的测量受一系列因素影响，所以，报道测量结果时，应尽可能详尽地说明测试样品的成分、厚度、表面的形貌特征和结构特征。否则将会降低测量结果与报道的价值。v（3）对光学不均匀的样品必须考虑反射作用：关于发射、透射和反射的相互关系的许多论述，都只适用于光学均匀的材料。因此，在发射率测量中，应用基本关系式+=1时，必须注意式中的三个量要有一致的几何条件。例如，当从反射率和透射率计算法向发射率时，反射率和透射率必须属于均匀漫照射和v1.半球全发射率测量半球全发射率测量v当研究辐射热传递和热损耗问题时，最关心的是物体表面的半球全发射率。对它的测量，v绝大多数的方法是采用量热法。v这种方法的基本
15、原理和装置如图v6-12所示。图6-12 热丝法测量半球全发射率装置示意图v2.法向光谱发射率测量法向光谱发射率测量 在各种具体方案中，可有如下几方面的变化：v（1）比较的方法，包括单光路和双光路；v（2）加热样品的方法，其中包括辐射、附加电阻加热器的热传导、对流或旋转样品炉等样品加热；v（3）分光计的类型，棱镜或光栅式单色仪、滤光片等；v（4）测量的光谱范围，取决于分光计和探测器的工作波带；v（5）温度测量和控制方法，有热电偶、光学或辐射高温计，手动或自动控制；v（6）数据处理方法，一个波长一个波长地测量比较，或在一个宽的波长范围内自动记录；v（7）所用比较黑体的类型，有独立的实验室黑体源、
16、加热样品的炉子或在样品中开的参比黑体腔孔。v双光路法向光谱发射率测量系统，广泛采用双光束比率记录的红外分光光度计工作模式，它以实验用黑体源和待测样品作为两个光束的辐射源。v为能直接记录样品的法向光谱发射率，上述双光路测试系统能够必须满足如下条件：v（1）被测样品和比较黑体必须控制在相同温度，样品表面的温度梯度应尽可能小；v（2）为使两光束有相同的大气吸收，并使这种吸收降到最低，两光束的光路长度必须相等，或使仪器保持在无吸收条件或真空中工作；v（3）除分光棱镜外，必须始终采用前表面反射系统，并在两光路中使用完全对等的光学元件，以使两光束在光学上有相等的吸收衰减；v（4）两光束的源面积的场孔径必须
17、相等，以保障两光束中的辐射功率来自相同的源面积和发射立体角。v若仪器对比率记录模式工作，得到的法向光谱发射率为:（6-20）v测量方法和步骤：测量前首先应对仪器进行定标，即波长定标和仪器线性响应定标。在不同波长范围，可用不同方法对单色仪进行波长定标,另外，利用大气吸收曲线也可在0.415m范围找出52个吸收峰，从而得到更长波长的定标曲线。)()()()()(ZHZSn 图6-13 单光路测试系统示意图6.4 红外反射比测量红外反射比测量v1.反射比的定义反射比的定义v根据入射及收集反射辐射的几何关系，分别有不同的定义和表示方法。v（1）双向反射比v（2）方向-半球反射比v（3）半球-方向反射比
18、v（4）双半球反射比v除上述各种反射比以外，如果入射或接收反射辐射限制在某个有限的锥角i或r内，则又有下列五种反射比之分：方向-锥角反射比、锥角-方向反射比、双锥反射比、半球-锥角反射比、锥角-半球反射比。v在测量反射比时，应依不同的情况用不同的方法。目前常用的室内反射比测量系统主要分为四种：积分球反射计、热腔反射计、半球反射计、椭球镜或抛物镜反射计。v2.积分球反射计积分球反射计v积分球是个内壁涂有MgO、BaSO4或BaCO3等漫反射涂层的球形腔体。因这些涂层有近似理想漫反射性能，所以，若有一辐射束照射球的内壁，则反射辐射将按余弦定律分布 v积分球结构大同小异。归纳起来主要有下列两种类型：
19、v（1）将待测样品置于球壁或球心，把光束引入球内，并依次照射样品和球内壁的高漫反射涂层（或已知反射比的标准反射体），从样品及球内壁反射的光束，经球内多次反射后，在球壁产生的辐射照度与样品及球内首次被照面的反射比有关。v（2）将待测样品置于球壁或球心，把光束引入球内（或在入射孔处放一漫透射体），并在入射孔与样品之间用挡板屏蔽。v6.5 红外吸收比和透射比测量红外吸收比和透射比测量v吸收和透射的光谱测量不能采用量热法，可运用下列方法：v（1）对于气体、半透明液体和固体材料，测量光谱吸收和光谱透射比的最简便的方法是直接利用6.1节描述的色散型红外分光光度计或傅里叶变换红外光谱仪测量。必要时应作表面反
20、射修正。图6-14 积分球工作原理v（2）对于不透明固体材料，往往首先测量其光谱反射比()，然后根据()=1-()确定光谱吸收比。v（3）对于不能使用透射和反射法测量的固体材料，可测量材料红外光谱发射比，获得光谱吸收系数a()。知道了光谱吸收系数a()后，可根据关系式()=exp-a()x和()=1-()确定光谱透射比和光谱吸收比。v如图6-15所示，设S1和S2是两块完全相同的试样薄片，其中S2为表面涂一层v吸收比2已知的材料作标准面。当它们同时受辐射功率相同的辐射照射时，虽然二v 图6-15 稳态面积比较法示意图v者发射比相同，但因被照面吸收比不同而吸收不等的辐射功率，因此，二者热平衡v温度不等。若调节S2上方窗口光阑，改变投射到标准面上的辐射功率，直至两块试v样温度相同（测定温度差热电偶的电位差计读数为零）为止。此时两块试样的热状态相 图6-15 稳态面积比较法示意图同，所以v （6-21）2211EAEA v式中E为试样表面辐照度，A1和A2分别是待测面和标准面的实际受照面积，1和2分别为它们的吸收比。由式（6-21）得到待测面的吸收比为v v （6-22）1221AA
