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。