表面粗糙度对纯铁光谱发射率的影响及其解析模型的建立

Accurate spectral emissivity is the key to precise measurement of radiation temperature, remote sensing, and so on. Accurate spectral emissivity and model should contain the characteristic information of the surface roughness, since the surface roughness has a significant effect on spectral emissivity. In the present project, prue iron as a promising standard is selected for emissivity measurement. And the relation between surface roughness spectral emissivity is systematically investigated. This mainly includes three aspects: (1) Many given metal samples of different surface roughness (rules surface and random rough surface) will be customized with calculating and simulating their spectral emissivities, then measure their spectral emissivity by three spectral emissivity measurement devices; (2) Considering the limitation of a single root mean square roughness to characterize roughness parameter surface roughness, we will conduct a comparative study of spectral emissivity by comparing the rule and random surface of the same root mean square roughness, and do further research about the influence of other roughness parameters on sepectral emissivity; (3) We will analyze the experimental data, and fit the analytical models of spectral emissivity with the change of surface roughness and wavelength by combining theoretical research and appropriate mathematics methods. The implementation of this project would promote the standardization process of pure iron, which would lay the foundation for establishing the analytical models of spectral emissivity of other materials.

准确的光谱发射率数据在辐射测温、遥测等技术领域是实现精确测量的关键。由于表面粗糙度对发射率有很大的影响，因此准确的发射率数据及其模型应该包含表面粗糙度的特征信息。 项目将选取非常有望作为测量标准的纯铁作为研究对象，系统的研究表面粗糙度与光谱发射率之间的关系。主要内容包括以下三方面：一、加工表面粗糙度不同的纯铁样品（规则形状和随机粗糙表面），对其光谱发射率进行必要的理论计算和仿真，并利用实验室的两台光谱发射率测量装置进行对比测量；二、考虑到用单一的均方根粗糙度参数来表征表面粗糙度的局限性，对同种粗糙度的随机表面和规则表面的光谱发射率进行对比研究，并就多个表面粗糙度参数对光谱发射率的影响开展研究；三、对测得的实验数据进行分析，结合理论研究，采用适当的数学方法拟合出光谱发射率随表面粗糙度和波长变化的解析模型。项目的实施将在一定程度上促进纯铁的标准化进程，并为建立其它材料的解析模型奠定基础。

对实验室现有的反射法和能量对比法光谱发射率测量装置进行了优化升级，拓宽了光谱发射率测量装置的测量波长和温度范围，测量精度进一步得到提高。利用自主研制的这些实验装置，项目组开展了纯铁光谱发射率相关的理论和实验研究，得到了一些新的数据和发现，主要研究内容和结果概括为以下几方面：(1)利用反射法测量装置测量了纯铁的光谱发射率在大气中的实时变化规律。研究结果表明：纯铁的发射率在大气环境中，随温度升高会出现几个峰值，利用光学相关理论，结合测得的光谱发射率数据可以估算出氧化膜的厚度。(2)利用能量对比法测量装置测量了多种粗糙度工业纯铁的光谱发射率。研究结果表明：在表面未氧化的情况下，纯铁的光谱发射率随着表面粗糙度增大而升高，随着波长增大而减小；纯铁样品氧化后表面粗糙度变大，光谱发射率明显大于未氧化前的值；表面粗糙度对光谱发射率的影响与波长密切相关，利用光学粗糙度可以简单描述粗糙度与光谱发射率之间的关系，对于随机粗糙表面，在某些波长点会出现反常现象。(3)对表面粗糙度特定样品的光谱发射率进行了理论模拟，得到了表面粗糙度与光谱发射率之间的关系，理论和实验结果表明，利用单一的均方根粗糙度建立的数学模型与实验值在一些波段会出现一些差异。(4)利用三个粗糙度参数建立了光谱发射率解析模型，将得到的光谱发射率解析模型应用到实验室中的辐射测温仪中，进行了验证实验。项目通过对有望成为光谱发射率测量标准参考材料的纯铁进行研究，系统的总结了光谱发射率与粗糙度及氧化等因素之间的关系。该研究成果对建立我国的光谱发射率测量标准具有非常积极的意义。此外，利用本项目的资助经费，课题组成员还对几种性质较为稳定的金属，如钛、铝等进行了测量，得到了大量的实验数据，并与国内外相关研究机构进行了对比。在光谱发射率测量仪器研制方面，课题组申请了几项专利，取得了一些新的成果，并在SCI、EI源期刊上发表了一些学术论文。