基于表面温度修正的材料方向光谱发射率高精度测量方法研究.pdf

摘要

方向光谱发射率被用于表征目标物体的方向性辐射能力，是热辐射科学研究中的重

要参数之一，广泛应用于保温材料制造、太阳能利用、辐射换热计算等重要领域。例如，

在传热计算、温度场模拟和热控制设计中，方向光谱发射率与波长和温度等物理参数之

间的关系不仅有助于高温系统的设计而且能够对能源进行有效的热管理。方向光谱发射

率不是物体的本征属性，而是与材料成分、温度、电导率、表面氧化和粗糙度等众多参

数息息相关的复杂多元函数。随着工业技术的快速变革，更高精度的方向光谱发射率数

据显得尤为重要，尤其是在大发射角度条件下。为提高方向光谱发射率测量精度，本论

文提出了一种非等温测量区域等效温度修正方法，并基于多温黑体法准确标定测量装置

背景辐射；通过研究碳化硅试样方向光谱发射率，验证了测量装置和等效温度修正方法

的可靠性。具体的研究工作主要包含以下四部分：

(1)为了验证等效温度修正方法的可靠性，本文搭建了一套固体材料方向光谱发射

率测量系统。该装置主要包含信号采集与处理系统、辐射源系统、光路系统、表面测温

系统和机械系统。其中信号采集与处理系统包含傅里叶红外光谱仪和计算机；辐射源系

统主要包括参考黑体和样品炉；表面测温系统包括双色测温仪和红外热像仪；机械系统

包括线性电动平移台和电动旋转台。

(2)分析了包含周围空气、光阑、光谱仪窗口及其内部光学元件等系统误差主要来

源。分别采用直接测量法、双温黑体法和多温黑体法准确标定了背景辐射；验证了背景

辐射总体上是一个无关于温度的函数；研究了背景辐射对试样总辐射的影响，发现该影

响随着测量角度的增加，其影响程度越来越大。

(3)从理论上，量化分析了温度偏差对材料相对发射率不确定度的影响；通过加热

器与试样之间的一维线性热传导过程，计算得到了样品表面中心温度，并采用双色测温

仪验证了中心温度计算的可靠性；采用红外热像仪测量得到多个温度下的样品表面和黑

体腔的温度分布图像，随着测试温度的增加，黑体腔温度分布一直保持着良好的均匀性，

而样品表面温度的均匀性越来越差；依据等效替代法计算得到了对应于不同角度下的样

品表面测量区域的等效温度。

(4)为了验证等效温度修正方法的可靠性，测量了高纯度碳化硅试样方向光谱发射

率，研究了碳化硅发射率关于温度、波长和角度的变化规律，并与相关文献数据进行对

比验证了等效温度修正方法和测量装置的可靠性；最后对等效温度修正方法和测量装置

进行了不确定度评估，将进行温度修正时的结果和未进行温度修正时的结果进行了对比，

结果表明：在未进行等效温度修正的情况下，80°下的最大相对不确定度估计为2.85%，

而在进行等效温度修正的情况下，最大相对不确定度估计为1.74%。

关键词：温度修正，方向发射率，精度提升，发射角度

ABSTRACT

Thedirectionalspectralemissivityisusedtocharacterizethedirectionalradiationabilityofthe

targetobject.Itisoneoftheimportantparametersinthescientificresearchofthermalradiation,andapplied

inthemanufacturingofthermalinsulationmaterials,theutilizationofsolarenergy,thecalculationof

radiationheattransferandotherimportantfields.Forexample,therelationshipbetweendirectionalspectral

emissivityandphysicalparameterssuchaswavelengthandtemperatureinheattransfercalculation,

temperaturefieldsimulationandthermalcontroldesignnotonlycontributetothedesignofhigh-temperature