PerkinElmer解決方案：紡織品遠(yuǎn)紅外性能的檢測和評價系統(tǒng)

輻射率測量原理

輻射率（也稱發(fā)射率） 是依據(jù)物體本身的溫度輻射出能量的能力， 是描述被測物體輻射能力的參數(shù)， 也指物體自身輻射的能量與同一溫度下絕對黑體所輻射的能量比， 用符號 ε 表示。 輻射率僅僅與物體表面的性質(zhì)（成分、 結(jié)構(gòu)） 有關(guān)。 熱輻射是一種電磁波， 光譜范圍一般指 0.2μ ～ 50μ， 其中包括可見光。在物理學(xué)中， 普朗克黑體輻射定律是用于描述在任意溫度 T 下， 從一個黑體中發(fā)射的電磁輻射的輻射率與電磁輻射的頻率的關(guān)系公式。 這里輻射率是頻率ν的函數(shù)：

我們通常只關(guān)心材料表面輻射的強度、 空間分布及其光譜分布， 樣品外表面向整個半球空間發(fā)射的一切波長的總輻射能與同溫度下黑體輻射能之比稱為半球輻射率， 垂直于樣品表面方向的輻射稱為法向輻射。 根據(jù)不同的測試原理， 輻射率測量方法通常分為量熱法， 反射率法， 輻射能量法和多波長測試方法等。

輻射能量法即為在同一溫度下用同一套光譜儀分別測試絕對黑體和樣品的發(fā)射光譜曲線， 兩者進(jìn)行積分比值就是材料的輻射率值。 此法有以下幾個方面的限制：
1. 加熱不均勻帶來的黑體及樣品表面的溫度梯度對測量結(jié)果產(chǎn)生影響；
2. 無法理想控制黑體及樣品在一個絕對相同的溫度進(jìn)行測量， 1K 的溫差將對測量結(jié)果產(chǎn)生幾個百分點的誤差；
3. 傅里葉變換紅外光譜儀自身的噪聲和周圍環(huán)境將對較低溫度及較低輻射率的測試產(chǎn)生影響。
由于以上限制， 目前基于傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行的黑體爐輻射測量系統(tǒng)的測量誤差， 大多在 3% 左右。

反射率法是依據(jù)基爾霍夫定律得出的輻射率測量方法， 基爾霍夫定律用于描述物體的發(fā)射率與吸收比之間的關(guān)系， 在給定溫度條件下， 任何物體的輻射率在數(shù)值上等于此物體的吸收率。 結(jié)合普朗克定律及維恩定律， 直接測試出的材料反射光譜就可以計算出材料在測試溫度下的發(fā)射比， 此方法操作簡單， 成本低廉， 尤其是對于輻射能量法難以測試的低發(fā)射率樣品能夠計算出材料的輻射率。

對紡織品的輻射率測試

對紡織材料而言 , 發(fā)射率是它的一個非常重要的特征 , 在輻射測溫， 材料科學(xué)， 遙感技術(shù)， 軍事上的目標(biāo)識和
偽裝， 以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有發(fā)射率的問題。

按照國標(biāo)《GB ／ T 30127—2013 紡織品 遠(yuǎn)紅外性能的檢測和評價》 的要求， 我們需要在稍高于室溫的 34℃時對各類紡織產(chǎn)品， 包括纖維、 紗線、 織物、 非織造布及其制品等測試遠(yuǎn)紅外發(fā)射率并進(jìn)行溫升試驗， 以測定紡織品遠(yuǎn)紅外性能并進(jìn)行評價。 輻射波長范圍為 5μm ～ 14μm， 由于反射率測試溫度較低， 輻射信號較弱， 對測試系統(tǒng)是一個考驗。

要同時測量同溫度下試樣和黑體的輻射能， 測量系統(tǒng)中就要有可以精確溫度控制的試樣加熱裝置和黑體爐系統(tǒng)，有將輻射能導(dǎo)入輻射能測量系統(tǒng)的光學(xué)機構(gòu)及輻射能測量系統(tǒng)。 我們綜合輻射測量系統(tǒng)的特點和國標(biāo)的要求，采用傅里葉變換紅外光譜儀作為輻射測量設(shè)備，它可以快速測量較寬光譜范圍內(nèi)的光譜輻射能分布，測量速度快、使用簡單。 傅里葉變換光譜方法， 是利用干涉圖和光譜圖之間的對應(yīng)關(guān)系， 通過測量干涉圖和對干涉圖進(jìn)行傅里葉變換的方法來測定和研究光譜圖， 它能同時測量、 記錄所有譜圖的信號， 并以更高的效率采集來自光源的輻射能量， 從而使它具有比傳統(tǒng)光譜儀高得多的信噪比和分辨率， 成為目前紅外和遠(yuǎn)紅外波段中最有力的光譜工具。 同時我們選擇了高靈敏度的 MCT 檢測器， 可以很好地檢測弱信號， 從而獲得穩(wěn)定的測試結(jié)果。

我們這套基于傅里葉變換紅外光譜儀設(shè)計的光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)包括： Frontier 傅里葉紅外光譜儀， 配備了外引光路來將外部輻射源的輻射導(dǎo)入到紅外光譜儀進(jìn)行測量； 合二為一的黑體爐和試樣加熱系統(tǒng)， 確保黑體溫度與試樣溫度一致， 最大限度地保證了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性； 為了防止背景的干擾， 在出射光路上加裝了低溫水冷卻的恒溫隔離屏， 采用小型循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。 為了減少光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性帶來的誤差， 采用直接耦合光路， 測試時將黑體爐的輻射口直接對準(zhǔn)光譜儀的入口即可進(jìn)行測量， 操作使用十分方便。 同時大大減少了誤差。 為了方便使用， 配套準(zhǔn)備了布料、 纖維、 紗線的樣品架， 讓使用者可以輕松放置樣品進(jìn)行測量。

本系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)：
（1） 光譜范圍： 1.2μm ～ 16μm（可延伸到 25μm） ；
（2） 控溫范圍： 室溫 +5~100℃
（3） 工作溫度： 34℃
（4） 環(huán)境溫度： 20℃ ±1℃；
（5） 溫度穩(wěn)定性： ±0.2℃ /30 分鐘
（6） 控溫分辨率： 0.1℃
（7） 輻射腔尺寸： φ60mm， 深度 30mm
（8） 黑體腔有效發(fā)射率： 0.95

采用該系統(tǒng)對實際樣品進(jìn)行測試， 每個樣品重復(fù)三次，測試結(jié)果顯示重復(fù)性優(yōu)于 1%，測試信號遠(yuǎn)大于本底信號，達(dá)到非常理想的測試效果。

對紡織品的溫升測試

為了滿足用戶對國標(biāo)《GB ／ T 30127—2013 紡織品 遠(yuǎn)紅外性能的檢測和評價》 的要求， 我們還同步開發(fā)了紅外溫升測量裝置， 如圖所示。 裝置完全按照國標(biāo)要求，結(jié)構(gòu)簡單， 操作方便， 溫度穩(wěn)定， 十分適合沒有經(jīng)驗的
使用者使用。

裝置主要技術(shù)指標(biāo)：
黑體工作溫度： 1100℃
黑體有效輻射功率： 150W
黑體空腔有效發(fā)射率： 0.99
黑體開口直徑： φ80mm
樣品槽直徑： φ80mm
控溫儀溫度分辨率： 1℃
紅外光譜范圍： 5~14μm

為了方便使用， 同樣配套準(zhǔn)備了布料、 纖維、 紗線的樣品架， 讓使用者可以輕松放置樣品進(jìn)行測量。