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等效红外发射率测量方法及系统研究。基于辐射强度法和主动双激光吸收辐射热计metry，构建包含激光测温、辐射计和辐射源的测量系统，通过两波长标定验证辐射计光谱响应线性。对PYRO 2500涂层、SiC和氧化合金HR120进行测试，扩展不确定度<8%（k=2），与离散黑体法偏差<0.03，与NIST/INRIM标准值偏差<0.01，验证系统有效性。
王贺|王宁涛|李晓菲|张新达|安宝林|卢晓峰|张彤|刘鹏瑞|李秀丽|袁尊东|董伟|徐淑辉
中国国家计量研究院，北京 100029
摘要
对制造物体的准确发射率测量在工业制造中具有重要的实际意义。然而，大多数现有设备仅能在物体的单一点测量发射率。针对物体红外发射率的测量需求，本研究提出了一种基于辐射强度法和主动双激光吸收辐射测温法的等效发射率测量方法。构建了一个等效发射率测量系统，该系统包括一个主动激光测温（ALP）模块、一个辐射计模块和一个辐射源模块。两点校准方法验证了所选辐射计具有良好的光谱响应线性。选择了三种材料（PYRO 2500涂层、碳化硅（SiC）和氧化合金HR120）进行等效红外发射率测量。对测量结果进行了不确定性评估，得到的扩展不确定性低于8%（k = 2），这证明了系统的准确性。与离散黑体法获得的测量结果相比，不同样品的发射率测量偏差均在0.03以内。以SiC为例，与国家标准与技术研究院（NIST）和国家计量研究院（INRIM）提供的结果相比，测量偏差为0.01，完全在联合不确定性范围内。这种方法为制造零件的准确发射率测定提供了可靠的解决方案。
引言
发射率广泛用于表征材料在特定波长范围内的辐射能力，是评估物体辐射特性的关键参数。其中，红外发射率作为红外辐射行为的基本定量指标，在工业制造和科学研究等领域具有广泛的应用价值和研究意义。例如，在工业环境中，它为使用热成像相机等技术进行表面温度测量提供了必要的基础数据[[1], [2], [3]]。红外发射率的主要测量方法包括：辐射法、量热法、多波长法和反射法[4]。目前，国际上对材料发射率的多种测量方法进行了大量研究，但这些研究主要集中在测量物体表面的单一点发射率上。Azusa等人[5]使用红外椭圆偏振仪测量了基于光栅的超表面的窄角定向热辐射。Peeters等人[6]利用有限元建模预测了凹形结构的再辐射，得出了描述发射率与每个元素法线方向角度之间关系的公式。Mao等人[7]通过反演算法量化并消除了几何和热因素的影响，并使用光线追踪方法对杂散辐射进行了定量分析，为复杂热环境提供了一种更准确可靠的方法。然而，这些研究主要集中在测量物体的单一点发射率上。随着对测量物体整个功能表面等效发射率的需求不断增加，开展制造组件的红外发射率测量研究对于先进产业的发展具有重要意义[[8], [9], [10]]。
表面温度测量是高温发射率测量的前提，表面发射率的准确性与其表面温度测量的准确性密切相关[11]。常用的温度测量方法中，接触式方法（如热电偶和热敏电阻）虽然简单易用，但可能会干扰物体表面的温度场[12]；广泛采用的辐射测温法避免了与被测物体的直接接触（因此不会干扰其温度场），但其结果的准确性和可靠性取决于材料的表面发射率。当材料的发射率未知且需要测量时，这就产生了一个悖论[13], [14]。
关于测量真实表面温度的问题，基于光热效应的双激光吸收辐射测温技术提供了一种可靠的解决方案[15]，能够精确测量高温材料的真实表面温度这一关键参数。
因此，本文基于通过双激光吸收实现的不依赖发射率的表面温度测量技术，建立了一个用于物体表面的等效发射率测量系统。该系统利用主动激光测温（ALP）获取被测物体表面的真实温度，并使用光谱辐射计从物体和参考黑体获取信号。然后根据辐射强度模型推导出等效发射率。本文的第二部分描述了测量原理、操作方法和系统组成。第三部分介绍了对三种材料（PYRO 2500高发射率涂层、SiC和高温氧化合金HR120）进行的发射率测量实验，并对测量设置的不确定性进行了分析，验证了系统测量结果的可行性。
测量模型和实验系统
不透明物体的发射率表示为其表面发射的辐射与相同温度下黑体发射的辐射之比。因此，可以从辐射强度中推导出表面的等效红外发射率。
温度测量和温度校正
使用ALP测量表面温度时，必须首先校准仪器常数。当表面温度已知时，可以获得黑体辐射度对温度的偏导数。然后根据测量信号的比例确定系统的仪器常数。ALP系统的仪器常数校准问题已在[18]中详细讨论。基于研究结果，测量
结论
本研究建立了一种基于辐射强度模型和双激光测温法的物体等效红外发射率测量方法，并讨论了非均匀表面温度情况下的测量方法。对辐射计探测器的线性进行了验证研究，测量了三种样品（PYRO 2500、SiC和HR120），随后讨论了测量不确定性的来源。
辐射计的线性验证
作者贡献声明
王贺：撰写——初稿。王宁涛：调查、正式分析。李晓菲：调查。张新达：验证。安宝林：撰写——审阅与编辑、概念化。卢晓峰：验证。张彤：调查。刘鹏瑞：调查。李秀丽：正式分析。袁尊东：撰写——审阅与编辑、验证。董伟：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取、概念化。徐淑辉：监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了中国国家重点研发计划（编号：2023YFF0615003）和中国国家计量研究院基础科学研究项目（编号：AKYCX2205）的支持。
