红外测温中辐射度与光谱发射率评估方法的比较

《Sensors》：A Comparison of Radiometric and Spectrometric Emissivity Evaluation Methods in Infrared Thermometry Vid Mla?nik and Igor Pu?nik

　　

在辐射测温中，对实际物体的精确辐射测温关键在于掌握表面发射率，而发射率通常事先未知，且常随表面状况、温度和环境而变化。尽管已有评估光谱发射率的理论模型，但其在应用相关条件下的实验验证仍显不足。本研究在高达350 °C的金属样品上比较了光谱和辐射两种发射率评估方法。光谱方法通过光谱仪测得的光谱发射率，结合仪器特定的光谱灵敏度（响应率），导出有效发射率；而辐射方法则利用辐射温度计和参考接触温度，直接从辐射亮度测量中评估发射率。辐射方法被视为应用层级的参考标准。稳定且均质的氮化铬（CrN）涂层样品在两种方法间显示出良好的一致性，而原始金属和聚硅氧烷涂层样品则凸显了与表面不稳定性和非均质性相关的实际限制。研究结果表明，当方法的基本假设得到满足时，光谱发射率评估在实践中是有效的，而辐射评估对于原位红外测温仍然更为可取。

红外测温技术在实际工业与现场应用中几乎完全针对真实物体而非理想黑体展开，而表面发射率作为辐射测温中占主导地位的不确定度来源，其准确评估成为实现可溯源非接触温度测量的核心难题。与理想黑体不同，实际表面的发射率具有光谱依赖性、空间非均匀性，且对氧化、粗糙度、涂层及温度变化敏感，因此无法视为固定材料常数，而必须在特定测量条件下针对具体表面进行评估。当前商业辐射温度计和热像仪广泛采用灰体辐射测温模型，然而对于真实物体而言，发射率补偿的可溯源 basic traceability 并未得到 inherent 保证。实际应用中，发射率值常直接取自文献或手册表格，但这些数据的获取条件、对应仪器光谱灵敏度及评估不确定度往往不明确，导致原位发射率评估在可溯源辐射测温领域备受青睐。

本研究旨在实验比较光谱发射率评估方法与辐射发射率评估方法在相同样品上的一致性、局限性及其对后续温度测量精度的影响。研究人员 Vid Mla?nik 和 Igor Pu?nik 在《Sensors》期刊发表了此项研究。两种方法的本质区别在于测量物理量的不同：光谱方法基于红外光谱学测量波长分辨发射率，再经仪器光谱灵敏度加权积分得到有效发射率；辐射方法则直接采用辐射温度计进行辐射亮度测量，通过与相同温度下黑体辐射亮度的比较确定发射率，因其信号获取方式与实际红外测温完全一致，故被视作应用层级参考标准。

研究采用的关键技术方法主要包括以下几个方面。样品体系方面，选用了三类具有不同表面特性的样品：氮化铬（CrN）涂层金属样品（黄铜、铜、不锈钢基底）、原始金属样品以及聚硅氧烷涂层样品，温度范围覆盖至350 °C。光谱测量方面，使用 Bruker Vertex v70 型傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪，配备热红外配置、MCT探测器及镀金积分球，通过半球反射率测量推导光谱发射率（假设表面不透明），光谱积分步长为0.01 μm。辐射测量方面，采用 Heitronics TRT II 辐射温度计和 FLIR T1020 热像仪两种设备，其名义光谱范围均为8–14 μm，但相对光谱灵敏度分布存在差异；通过可更换样品的平板校准原型装置，利用真空泵确保样品与加热铜块的良好热接触，参考温度由校准接触式温度计在热井中测得并经热传导梯度修正。黑体传感器（BBS）特性函数方面，通过数值积分 Planck 定律并结合实验校准数据，建立了特定仪器的前向特征 M_BBS(T) 及其逆变换 T_BBS(M)，实现辐射亮度与温度量值的双向转换。不确定度评定方面，对辐射方法建立了包含BBS转换不确定度、样品辐射亮度测量不确定度、环境辐射不确定度及真实温度不确定度等输入量的完整不确定度传播模型。

研究结果部分按样品类型分三个方面展开。

CrN涂层样品的有效发射率。CrN涂层金属样品在高达350 °C的重复加热循环中表现出高热稳定性和空间均质性，实验期间未观察到光谱发射率的可见退化或时漂。对于两种辐射温度计，光谱方法与辐射方法得到的有效发射率在整个温度范围内均显示出良好的一致性，落在辐射方法的扩展不确定度范围内。然而，CrN涂层黄铜样品存在系统偏差，其发射率绝对值始终低于铜和不锈钢基底上的同类涂层，研究人员将此归因于抛光基底表面粗糙度的差异。

原始金属样品的有效发射率。原始金属样品在热暴露过程中表现出可见的表面状况变化，特别是铜样品随温度升高和重复加热循环出现显著的发射率增大；不锈钢和黄铜样品亦有可测量的发射率变化。对于这些样品，光谱方法与辐射方法的结果未能在辐射方法扩展不确定度范围内始终保持一致，不同材料和测量重复之间存在差异。

聚硅氧烷涂层样品的有效发射率。聚硅氧烷涂层样品表现出明显的有效发射率空间变化，与涂层厚度梯度一致。两种方法的结果存在显著差异，多数情况下超出辐射方法的扩展不确定度；重复测量的可再现性有限，主要源于涂层厚度不一致和基底不稳定性。

温度测量影响。两种方法得到的有效发射率差异导致了相应的表面温度计算差异。温度测量不确定度的大小强烈依赖于发射率绝对值及其不确定度：低发射率样品的微小发射率差异即可导致巨大的温度计算偏差，而高发射率样品的影响则相对较小。辐射方法的有效发射率在较高温度下表现出更低的理论不确定度，因为随着表面自身辐射主导测量信号，反射环境辐射的影响及其不确定度贡献随温度升高而降低。

讨论部分，研究人员指出两种方法的一致性关键取决于表面稳定性、均质性以及底层建模假设的有效性。CrN涂层样品的高一致性验证了 Chrzanowski 等人建立的光谱-有效发射率转换框架在应用相关条件下的有效性。原始金属和聚硅氧烷涂层样品的不一致性并非方法本身的缺陷，而是由于氧化、表面演变和空间非均质性违反了方法的基本假设所致。一个值得注意的发现是，CrN涂层黄铜的系统偏低发射率表明涂层表面的发射率可能并非完全独立于基底，基底成分、表面化学和微结构可影响涂层生长和形貌，对于足够薄的涂层，基底的部分光学相互作用不可完全排除。

研究结论部分翻译如下：本研究通过将基于FTIR测量的光谱分辨发射率评估方法与辐射参考方法进行比较，考察了其适用性。结果表明，对于稳定和均质的表面，从光谱数据导出的有效发射率与辐射评估发射率在综合测量不确定度范围内一致。氮化铬（CrN）涂层在两种方法间表现出最高程度的一致性，证实了其作为发射率评估验证样品的适用性；对于这些样品，光谱与辐射结果的相关性始终保持在不确定度限值以内，支持了光谱-有效发射率转换公式的有效性。相比之下，表现出表面不稳定性或非均质性的样品，如聚硅氧烷涂层和未涂层金属基底，其方法间及重复测量间的变异性增大、一致性降低。这些结果凸显了氧化、涂层退化或空间非均匀性受影响的材料在发射率评估中的实际局限性，而非评估方法本身的不足。研究发现确认，当采用仪器特定光谱灵敏度进行适当积分时，光谱分辨发射率数据可为辐射测温提供可靠的有效发射率值；然而，在实际应用中，对材料稳定性、表面均质性和环境影响的审慎考量对于准确的发射率评估仍然至关重要。