应用案例丨傅里叶变换红外光谱仪测试红外辐射率

摘要

傅里叶变换红外光谱法（FTIR）作为一种高精度的红外辐射率测试技术，具有高光谱分辨率、宽波段覆盖能力，能够精确测量材料在特定波长下的光谱发射率，适用于从中红外到远红外的宽光谱范围。该方法采用非接触式测量，结合可控温环境，用于红外散热隔热材料、航空航天飞行器红外特征调控、中远红外理疗材料等领域的红外辐射测量。FTIR的高精度、标准化流程使其成为实验室热辐射性能研究的金标准，尤其适用于需要精细光谱分析的场景，为材料热辐射性能的精准表征提供了可靠手段。

正文

红外辐射率（发射率）测试在多个领域具有重要应用，主要涉及材料科学、工业检测、医疗健康、航空航天、环境监测等，具体如下：

纺织与功能性材料

用于测试远红外纺织品的发射率，评估其保暖性能和远红外辐射效果，如保暖内衣、远红外理疗产品等。检测红外辐射涂料、电热膜等材料的辐射性能，优化其发热效率。

工业与制造业

评估散热器、电子元件的热管理性能，高发射率材料有助于提高散热效率。

检测高温设备（如熔炉、管道）的热辐射特性，排查热泄漏或异常热点。

卫星遥感监测工厂热辐射，分析企业生产状况，辅助金融与监管决策。

航空航天与军事

研发热控涂层（如航天器表面材料），通过调节发射率控制热量散发或吸收。

开发低发射率隐身涂层，降低飞机、坦克等军事目标的红外信号。

能源与环保

优化太阳能集热器、红外加热元件的发射率，提高能量转换效率。

监测工业废热回收材料的辐射特性，提升能源利用效率。

分析温室气体（如CO₂、H₂O）的红外吸收光谱，评估环境污染。

医疗与生物技术

研究人体或生物组织的远红外辐射特性，辅助疾病诊断（如肿瘤热成像）。

开发红外理疗设备，利用高发射率材料促进血液循环和康复。

地质与遥感

通过测量岩石、土壤的红外发射率，反演地表温度及矿物成分，辅助矿产资源探测。机载/星载高光谱热红外遥感，用于地表温度监测和矿物识别。

自动驾驶与智能传感

红外辐射率测试的应用广泛，不同行业根据需求选择适合的测试方法（如FTIR光谱仪、热像仪、发射率测量仪等）。

傅里叶红外光谱仪测试发射率主要方法

1. 直接测量法

原理：通过直接测量样品的辐射能量与同温度下黑体的辐射能量对比，计算发射率。

常用设备：

傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）：结合高温黑体炉，测量样品的光谱辐射率（需控制样品温度）。

辐射计/红外测温仪：通过已知温度的样品辐射与黑体辐射比较，计算积分发射率（全波段或特定波段）。适用场景：实验室高精度测量，适用于材料研发、航空航天涂层等。

2. 反射法（间接法）

原理：根据基尔霍夫热辐射定律，在热平衡条件下，不透明材料的发射率。ϵ=1−ρ（ρ为反射率）。根据普朗克黑体辐射公式，通过测量样品在相同温度下的辐射光谱与理想黑体辐射光谱的比值，得到光谱发射率：ϵ(λ)=Lsample(λ)/Lblackbody(λ)

适用场景：适用于常温、高反射材料（如金属、镜面涂层）。

二、测试设备

1.傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）：需配备红外探测器（如DTGS、MCT）、高温样品腔及控温模块。

2.黑体辐射源：作为校准基准，温度需与样品一致（精度±0.1℃）。

3.样品加热装置：高温炉或电热台，确保样品温度均匀且稳定。

4.反射附件（可选）：如积分球或镜面反射附件，用于反射率补偿测。

三、测试步骤

1. 样品准备

50. 表面处理：清洁样品表面，避免氧化层、污染物影响（如抛光金属需防氧化）。
50. 尺寸要求：样品需覆盖光斑面积（通常直径>2 cm），厚度均匀。

2. 仪器校准

50. 背景扫描：在样品室无样品时采集背景光谱（消除环境辐射干扰）。
50. 黑体标定：将黑体源加热至目标温度（如100~500℃），测量其辐射光谱Lblackbody(λ)

3. 样品测量

50. 加热样品：将样品加热至与黑体相同的目标温度，稳定至少10分钟（温度波动<±1℃）。
50. 辐射光谱采集：

使用FTIR测量样品的热辐射光谱 Lsample(λ)（波数范围通常为400~4000 cm⁻¹）。

若需反射率补偿，需额外测量样品的反射光谱ρ(λ)（常温下用红外光源照射样品）。

4. 数据处理

50. 计算光谱发射率：

ϵ(λ)=Lsample(λ)/Lblackbody(λ)（直接法）

或ϵ(λ)=1−ρ(λ)（反射法，适用于不透明材料）

ϵ积分发射率计算：对特定波段（如8~14 μm）的光谱发射率加权平均：ϵavg=∫ϵ(λ)Lblackbody(λ)dλ

应用示例

图1 红外理疗仪340℃加热归一化发射光谱

图2 理疗加热贴归一化发射光谱

图3 340℃ 加热红外理疗仪和理疗贴的归一化发射光谱图比较

表1 傅里叶红外光谱法（FTIR）测试红外辐射率的优势

相比其他方法（如热像仪法、双波段法），FTIR更适合实验室高精度研究，而工业现场可能采用更快速的替代方案。但其数据可靠性使其成为红外辐射率测试的金标准之一。

参考标准

ASTM E1933  使用红外成像辐射计测量和补偿发射率的标准规程

ASTM E408  使用检测仪技术的表面总正常发射的标准测试方法