第5章红外辐射的测量5-1名词解释（1）多波长辐射测温：当采用超过两个波长来测量温度时，这种辐射测量方法被称作多波长测温。（2）比色测温：指根据物体在两个相邻波长下的辐射能量密度之比来确定物体的温度。5-2填空题（1）单色仪是一种常用的________仪器，可分为________单色仪和________单色仪两类。（2）辐射计一般由________、________、________和________等组成。（3）红外半球全发射率的测量一般采用的方法是________；法向光谱发射率测量时基本采用________法。（4）红外分光光度计根据其结构特征的不同，可分为________光度计和________光度计两种。（5）红外辐射测温的方法主要有________、________和________。其中，对于发射率低的物体，________测温和________测温的相对误差较大，对于发射率高的物体，三种测温方法均适用。（6）对于不能使用透射法和反射法测量的固体材料，可测量材料的________来获得相应的透射比和吸收比。（7）反射比的测量一般取决于入射辐射的________及________状态。（8）傅里叶变换红外光谱仪主要由________干涉仪和计算机构成，前者得到的干涉图函数包含光源的________和________信息。（9）目前室内的反射比测量系统主要有________、________、________和椭球镜反射计4种。5-3简述反射式单色仪的工作原理。答：反射式单色仪光路系统的工作原理如图5-3所示。当来自辐射源的辐射束穿过入射狭缝后，经抛物面准直反射镜反射变成平行光束投射到平面反射镜，再被反射进入色散棱镜，便被分解为不同折射角的单色平行光束，经另一抛物面反射镜反射，并聚焦于出射狭缝输出。色散棱镜与平面反射镜的组合，称为瓦茨伏尔士（Wadsworth）色散系统。通过转动该系统，可在出射狭缝后面获得不同波长的单色光束。图5-1反射式单色仪光路系统的示意图5-4简述双光束光学自动平衡系统和双光束电学平衡系统的异同。答：两者都属于双光束红外分光光度计，结构特征和工作原理有区别：双光束电学平衡系统在光路的安排上，要求斩光器放在样品槽之前，通过样品的光束为间断的脉冲光束，而双光束光学自动平衡系统无此要求；在参比光路上，双光束电学平衡系统不使用光学衰减器，而是用斩光器将参比光束变为间断的脉冲光束，然后分别将两条光束的强度转换成电信号，经放大后测量两个电信号的比率。5-5简述各类辐射测温法的特点。答：全辐射测温没有考虑物体所反射的环境辐射，因此求得的真实温度不一定准确；亮度温度测量中也存在着光学系统效率低下的辐射能量损失，因此精度不高；比色测温由物体在两个相邻波长下的辐射能量密度之比来确定物体温度，测温精度高、抗干扰能力强；多波长辐射测温，采用超过两个波长来测量温度，目前处于实验阶段，实用化还有一定困难。四种辐射测温法的比较如下：1）全辐射温度、亮温度恒小于物体表面的真实温度。2）对于发射率较小的物体，全辐射测温和亮温度测温相对误差都较大。对于发射率较高的材料，3种测温法均适宜。3）全辐射测温和亮温度测温都必须知道被测物体发射率的绝对值。而双波长辐射测温则只要知道两个波长处光谱发射率之比值。5-6解：由公式，又知R最大为，红外线波长λ为，取其平均值为，得数值孔径。5-7解：1）已知，则由公式得分辨率为2）5-8解：由分辨率公式得5-9解：已知，则由公式得分辨率为由分辨率公式，得。5-10解：利用色散曲线的柯西公式，由于波长变化范围不大，只取前两项，即：，代入得。钠光谱线，三棱镜在这个波长附近的色分辨率本领，由棱镜色散公式和得。5-11欲购一台红外光栅光谱仪，利用光栅的一级光谱，使其适用于0.415～10微米波段，对其光栅有什么要求？答：对光栅有如下要求：（1）闪耀波长，闪耀波长为光栅最大衍射效率点，因此选择光栅时应尽量选择闪耀波长在实验需要波长附近。（2）光栅刻线，光栅刻线多少直接关系到光谱分辨率，刻线多光谱分辨率高，刻线少光谱覆盖范围宽，两者要根据实验灵活选择。（3）光栅效率，光栅效率是衍射到给定级次的单色光与入射单色光的比值。光栅效率愈高，信号损失愈小。为提高此效率，除提高光栅制作工艺外，还采用特殊镀膜，提高反射效率。5-12假设天空为朗伯辐射体，如果用绝对辐射计测量天空的辐射亮度，对其接收器有什么要求？答：在能够直接进行绝对测量的装置中，必须将辐射能量或被吸收的辐射通量与一种定量的能量或者其它形式的功率作比较。另外，对于低精度的辐射计一般不采用参考黑体，而是用涂黑或高发射率的调制盘，以调制盘的叶片作为参考辐射源；对于商业用的辐射计，通常采用在可见光和红外波段内有均匀光谱响应的热电或热阻探测器；对于军用辐射计，为了对军用目标有大的作用距离和快速的目标光辐射采样频率，一般采用在较窄光谱波段范围内有高灵敏度的光子探测器。5-13用单色仪在研究红外辐射源的光谱特性时，为了不引入杂光、提高测量灵敏度、满足全波段测量的要求，应在辐射源与入射狭缝间加入什么光学元件？答：为了不引入杂光，提高测量灵敏度，满足全波段测试的要求，应在辐射源与入射狭缝间加入一个光栅元件，原因在于光栅具有衍射作用，从出射狭缝出来的光线为单色光。

第5章红外辐射的测量

5-1名词解释

（1）多波长辐射测温：当采用超过两个波长来测量温度时，这种辐射测量方法被称作多波长测温。

（2）比色测温：指根据物体在两个相邻波长下的辐射能量密度之比来确定物体的温度。

5-2填空题

（1）单色仪是一种常用的________仪器，可分为________单色仪和________单色仪两类。

（2）辐射计一般由________、________、________和________等组成。

（3）红外半球全发射率的测量一般采用的方法是________；法向光谱发射率测量时基本采用________法。

（4）红外分光光度计根据其结构特征的不同，可分为________光度计和________光度计两种。

（5）红外辐射测温的方法主要有________、________和________。其中，对于发射率低的物体，________测温和________测温的相对误差较大，对于发射率高的物体，三种测温方法均适用。

（6）对于不能使用透射法和反射法测量的固体材料，可测量材料的________来获得相应的透射比和吸收比。

（7）反射比的测量一般取决于入射辐射的________及________状态。

（8）傅里叶变换红外光谱仪主要由________干涉仪和计算机构成，前者得到的干涉图函数包含光源的________和________信息。

（9）目前室内的反射比测量系统主要有________、________、________和椭球镜反射计4种。

5-3简述反射式单色仪的工作原理。

答：反射式单色仪光路系统的工作原理如图5-3所示。当来自辐射源的辐射束穿过入射狭缝后，经抛物面准直反射镜反射变成平行光束投射到平面反射镜，再被反射进入色散棱镜，便被分解为不同折射角的单色平行光束，经另一抛物面反射镜反射，并聚焦于出射狭缝输出。色散棱镜与平面反射镜的组合，称为瓦茨伏尔士（Wadsworth）色散系统。通过转动该系统，可在出射狭缝后面获得不同波长的单色光束。

图5-1反射式单色仪光路系统的示意图

5-4简述双光束光学自动平衡系统和双光束电学平衡系统的异同。

答：两者都属于双光束红外分光光度计，结构特征和工作原理有区别：双光束电学平衡系统在光路的安排上，要求斩光器放在样品槽之前，通过样品的光束为间断的脉冲光束，而双光束光学自动平衡系统无此要求；在参比光路上，双光束电学平衡系统不使用光学衰减器，而是用斩光器将参比光束变为间断的脉冲光束，然后分别将两条光束的强度转换成电信号，经放大后测量两个电信号的比率。

5-5简述各类辐射测温法的特点。

答：全辐射测温没有考虑物体所反射的环境辐射，因此求得的真实温度不一定准确；亮度温度测量中也存在着光学系统效率低下的辐射能量损失，因此精度不高；比色测温由物体在两个相邻波长下的辐射能量密度之比来确定物体温度，测温精度高、抗干扰能力强；多波长辐射测温，采用超过两个波长来测量温度，目前处于实验阶段，实用化还有一定困难。四种辐射测温法的比较如下：

1）全辐射温度、亮温度恒小于物体表面的真实温度。

2）对于发射率较小的物体，全辐射测温和亮温度测温相对误差都较大。对于发射率较高的材料，3种测温法均适宜。

3）全辐射测温和亮温度测温都必须知道被测物体发射率的绝对值。而双波长辐射测温则只要知道两个波长处光谱发射率之比值。

5-6解：由公式，又知R最大为，红外线波长λ为，取其平均值为，得数值孔径。

5-7解：1）已知，则由公式得分辨率为

2）

5-8解：由分辨率公式得

5-9解：已知，则由公式得分辨率为

由分辨率公式，得。

5-10解：利用色散曲线的柯西公式，由于波长变化范围不大，只取前两项，

即：，代入得。

钠光谱线，三棱镜在这个波长附近的色分辨率本领，

由棱镜色散公式和得。

5-11欲购一台红外光栅光谱仪，利用光栅的一级光谱，使其适用于0.415～10微米波段，对其光栅有什么要求？

答：对光栅有如下要求：（1）闪耀波长，闪耀波长为光栅最大衍射效率点，因此选择光栅时应尽量选择闪耀波长在实验需要波长附近。（2）光栅刻线，光栅刻线多少直接关系到光谱分辨率，刻线多光谱分辨率高，刻线少光谱覆盖范围宽，两者要根据实验灵活选择。（3）光栅效率，光栅效率是衍射到给定级次的单色光与入射单色光的比值。光栅效率愈高，信号损失愈小。为提高此效率，除提高光栅制作工艺外，还采用特殊镀膜，提高反射效率。

5-12假设天空为朗伯辐射体，如果用绝对辐射计测量天空的辐射亮度，对其接收器有什么要求？

答：在能够直接进行绝对测量的装置中，必须将辐射能量或被吸收的辐射通量与一种定量的能量或者其它形式的功率作比较。另外，对于低精度的辐射计一般不采用参考黑体，而是用涂黑或高发射率的调制盘，以调制盘的叶片作为参考辐射源；对于商业用的辐射计，通常采用在可见光和红外波段内有均匀光谱响应的热电或热阻探测器；对于军用辐射计，为了对军用目标有大的作用距离和快速的目标光辐射采样频率，一般采用在较窄光谱波段范围内有高灵敏度的光子探测器。

5-13用单色仪在研究红外辐射源的光谱特性时，为了不引入杂光、提高测量灵敏度、满足全波段测量的要求，应在辐射源与入射狭缝间加入什么光学元件？

答：为了不引入杂光，提高测量灵敏度，满足全波段测试的要求，应在辐射源与入射狭缝间加入一个光栅元件，原因在于光栅具有衍射作用，从出射狭缝出来的光线为单色光。