基于傅里葉紅外光譜儀的遠(yuǎn)紅外貼法向發(fā)射率測定

李風(fēng)光　張峻梓　閆鈞　邵蕊娜　康勁風(fēng)(河南省醫(yī)療器械檢驗所　河南鄭州　450003)

基于傅里葉紅外光譜儀的遠(yuǎn)紅外貼法向發(fā)射率測定

李風(fēng)光張峻梓閆鈞邵蕊娜康勁風(fēng)
(河南省醫(yī)療器械檢驗所河南鄭州450003)

【摘要】本文提出1個針對遠(yuǎn)紅外貼類產(chǎn)品法向發(fā)射率的檢測方法。將樣品固定在定制黑體爐樣品腔中，經(jīng)油浴控溫確保黑體與樣品的溫度一致性，溫度穩(wěn)定后再用傅里葉變換紅外光譜儀測量黑體與樣品的發(fā)射光譜。運(yùn)用環(huán)境補(bǔ)償法計算樣品的法向發(fā)射率，并估算出置信水平為95%時的擴(kuò)展不確定度為0. 5。該方法操作方便，實驗結(jié)果穩(wěn)定，填補(bǔ)了醫(yī)療器械行業(yè)中遠(yuǎn)紅外貼類產(chǎn)品法向發(fā)射率測試的空白。

【關(guān)鍵詞】法向發(fā)射率;遠(yuǎn)紅外貼;傅里葉紅外光譜儀;不確定度

紅外線位于光譜的可見光以外，波長范圍0. 76～1 000 μm，臨床將紅外線根據(jù)波長的范圍分為近紅外線(0. 76～1. 5 μm)和遠(yuǎn)紅外線(1. 5～400 μm)，其中紅外線8～15 μm的遠(yuǎn)紅外線被稱為“生命光線”，該波段的紅外線與人體放射的波段相同，會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。在共振作用下，占人體70%～80%的水分子的振動能級首先被激活，產(chǎn)生一系列生理反應(yīng)。國內(nèi)外專家研究結(jié)果表明，遠(yuǎn)紅外線的熱效應(yīng)和使人體共振吸收后主要產(chǎn)生以下幾方面功能:激活生物大分子的活性、促進(jìn)和改善血液循環(huán)、增強(qiáng)代謝修復(fù)、調(diào)節(jié)機(jī)體失衡等多種生物學(xué)作用。目前遠(yuǎn)紅外線在部分領(lǐng)域已經(jīng)得到開發(fā)和利用，有關(guān)遠(yuǎn)紅外的產(chǎn)品很多，比如遠(yuǎn)紅外紡織品、遠(yuǎn)紅外線治療儀、遠(yuǎn)紅外熱敷墊、遠(yuǎn)紅外貼等。遠(yuǎn)紅外貼是根據(jù)遠(yuǎn)紅外的共振、吸收特性研發(fā)的產(chǎn)品之一，遠(yuǎn)紅外貼產(chǎn)品中加入遠(yuǎn)紅外陶瓷粉后，提高了遠(yuǎn)紅外的相關(guān)性能。目前，遠(yuǎn)紅外貼已成為常用的醫(yī)療器械類產(chǎn)品之一。法向發(fā)射率作為衡量遠(yuǎn)紅外產(chǎn)品性能的一個重要指標(biāo)，也成為監(jiān)管檢驗檢測部門衡量此類醫(yī)療產(chǎn)品是否有效的重要指標(biāo)，如何快速、有效地對遠(yuǎn)紅外貼的法向發(fā)射率進(jìn)行測定就顯得尤為重要。

遠(yuǎn)紅外貼法向發(fā)射率不是物質(zhì)的本征參數(shù)，它與

遠(yuǎn)紅外貼的物質(zhì)組成有關(guān)，現(xiàn)市場上流通的遠(yuǎn)紅外貼類產(chǎn)品大多數(shù)是經(jīng)過添加遠(yuǎn)紅外陶瓷粉來提高產(chǎn)品的紅外法向發(fā)射率，其大小與遠(yuǎn)紅外貼的制作工藝、表面粗糙度、溫度及考察的波長范圍等有關(guān)。因此發(fā)射率是以上諸多因素的多元函數(shù)，所以在實際測量中有較多的影響因素，迄今為止，還未見有關(guān)遠(yuǎn)紅外貼法向發(fā)射率測定方法的文獻(xiàn)報道及相應(yīng)的國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1　實驗原理

遠(yuǎn)紅外線的輻射能是一種熱輻射，對熱輻射及其傳播特性的研究表明，遠(yuǎn)紅外材料的主要參數(shù):輻射的功率水平、空間分布、光譜分布以及輻射的瞬時特性和偏振特性，其中后兩項特性對一般輻射源而言是不必考慮的，所以描述材料表面的輻射特性只需考慮前面3個參數(shù)［1］。遠(yuǎn)紅外材料的熱輻射特性在不同波長及不同方向上是不同的，發(fā)射率分為分譜及全波長發(fā)射率、法向和半球發(fā)射率等，由于大多數(shù)紅外系統(tǒng)都是響應(yīng)輻射源規(guī)定方向上的一個小立體角內(nèi)的輻射通量，因而通常測量的都是法向發(fā)射率。據(jù)斯忒蕃—玻爾茲曼定律可知處于熱力學(xué)溫度T的絕對黑體，單位面積上的輻射功率為Wbλ，該黑體單位面積上總輻射功率為Wb，Wb=∫Wbλdλ。依據(jù)朗伯余弦定律，處于熱力學(xué)溫度T的絕對黑體輻射沿各方向的輻射亮度Lbλ均相等，即Lλ(n)= Lλ(θ)。所以普朗克定律(Planck)可表示為:

若同樣在溫度T下，某一物質(zhì)表面相應(yīng)的輻射參量分別是Wb、W和Lλ(θ)，則材料表面的全發(fā)射率為:

(3)、(4)式中:θ為輻射方向同表面法線間的夾角，n即表示法線方向。

根據(jù)光譜發(fā)射率的定義式(2)，光譜發(fā)射率可以通過測量同溫度下試樣和黑體的輻射能，并將二者相比而得到。但是在實際測量中，環(huán)境、背景、儀器本身等諸多因素都會對光譜發(fā)射率測量產(chǎn)生影響。

本實驗采用環(huán)境補(bǔ)償方法對測試結(jié)果進(jìn)行處理，計算光譜發(fā)射率的公式計算如下:

其中: Ss(λ，T)和Sb(λ，T)分別為被測試樣和與試樣溫度完全相同的黑體輻射的輸出光譜曲線，而S0為背景的輻射光譜曲線。

采用紅外光譜儀測量發(fā)射率是近年來國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，特別是傅里葉紅外光譜儀制造技術(shù)的成熟、造價的降低為紅外光譜儀的廣泛使用奠定了基礎(chǔ)。傅里葉變換紅外光譜法利用邁克爾遜干涉儀和計算機(jī)取代了傳統(tǒng)色散法測量中的棱鏡或光柵，因此具有掃描速度快、光通量大、沒有入射狹縫、分辨率高、波數(shù)精確等優(yōu)點(diǎn)，尤其不受輻射源隨時間變化的影響，使得測量100℃以下甚至常溫下的紅外輻射成為可能，因而成為目前紅外和遠(yuǎn)紅外波段中最有力的光譜工具。

本實驗采用油浴控溫型黑體爐和傅里葉變換紅外光譜儀，通過分別測量標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源及遠(yuǎn)紅外貼樣品在相同環(huán)境和溫度下的相對輻射能量，運(yùn)用環(huán)境補(bǔ)償方法對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而實現(xiàn)對遠(yuǎn)紅外貼的光譜發(fā)射率的準(zhǔn)確測量。該測量系統(tǒng)原理見圖1。

2　實驗過程及結(jié)果分析

2.1系統(tǒng)組成本實驗系統(tǒng)組成主要由紅外傅里葉紅外光譜儀和黑體爐組成。紅外傅里葉紅外光譜儀是VERTEX 70傅里葉紅外光譜儀，光譜儀主要技術(shù)指標(biāo):①光譜范圍: 8 000～400 cm－1;②分辨率:優(yōu)于0. 5 cm－1(去趾);③波數(shù)精度:優(yōu)于0. 01 cm－1@ 2 000 cm－1。黑體爐油浴為控溫型黑體爐，加熱溫度小于200℃，空腔的有效發(fā)射率大于99. 5%，光欄孔徑40 mm。

2.2實驗步驟首先啟動光譜儀，在檢測器中加入液氮，同時開啟控溫裝置，黑體溫度設(shè)定，取直徑為40 mm的試樣，放置在試樣腔內(nèi)底部。黑體與試樣處于同一控溫裝置，保證了兩者溫度的一致性。首先測量背景，待溫度穩(wěn)定后測量試樣與黑體，根據(jù)公式(5)可以計算出遠(yuǎn)紅外貼在8～15 μm的法向發(fā)射率曲線圖。

2.3結(jié)果分析為驗證本次試驗的穩(wěn)定性，特選取了3個不同溫度進(jìn)行遠(yuǎn)紅外貼波長在8～15 μm范圍的法向發(fā)射率的測定，見圖2，圖譜為同一樣品在37、42、50℃的測試數(shù)據(jù)并對比實驗結(jié)果可見，發(fā)射率圖譜穩(wěn)定，結(jié)果表明該實驗方法穩(wěn)定可靠。

在37、42、50℃時遠(yuǎn)紅外貼的法向發(fā)射率分別為0. 857、0. 860和0. 864。遠(yuǎn)紅外貼法向發(fā)射率圖譜在此范圍內(nèi)發(fā)射率相對穩(wěn)定，結(jié)合遠(yuǎn)紅外磁療貼實際應(yīng)用于約37℃的人體皮膚上，我們把實驗溫度定為37℃。經(jīng)驗證該實驗方法是可靠的。

3　不確定度分析

影響系統(tǒng)不確定度的主要因素有試樣及黑體溫度、傅里葉光譜儀測量的重復(fù)性和非線性、黑體空腔發(fā)射率。

試樣溫度不確定性為0. 1%，黑體溫度不確定性為0. 1%，傅里葉光譜儀的自測數(shù)據(jù):非線性度最大為0. 19%，重復(fù)性偏差最大為0. 06%，黑體空腔發(fā)射率不確定度為0. 05%。

測量結(jié)果不確定度的置信水平為95%時，即Kp= 2，擴(kuò)展不確定度表示置信水平的區(qū)間半寬度，計算如下: Uc(擴(kuò)展)= Kp×Δε= 0. 25×2 = 0. 5，滿足遠(yuǎn)紅外貼類產(chǎn)品法向發(fā)射率的相關(guān)要求。

4　結(jié)論

本實驗將傅里葉變換紅外光譜儀與黑體爐結(jié)合測試遠(yuǎn)紅外貼法向發(fā)射率，并利用環(huán)境補(bǔ)償法對采樣結(jié)果進(jìn)行處理，實驗結(jié)果表明該方法結(jié)果穩(wěn)定、測試方法簡單，可以作為今后遠(yuǎn)紅外貼產(chǎn)品主要性能指標(biāo)(法向發(fā)射率)的實驗方法。

參考文獻(xiàn)

［1]王新北.基于傅立葉紅外光譜儀的材料光譜發(fā)射率測量技術(shù)的研究［D］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.

［2]戴映紅，吳劍峰，張亞洲，等.大口徑低溫黑體標(biāo)定裝置研制［J］.宇航計測技術(shù)，2012，32(5): 49－52.

［3]陳長青，刁振琦，李云濤，等.不同劑量131I照射Hela細(xì)胞后紅外光譜的表現(xiàn)及分析［J］.河南醫(yī)學(xué)研究，2013，22(2): 164－168.

［4]岳楨干.黑體輻射源技術(shù)的發(fā)展趨勢(上)［J］.紅外，2012，33(7): 43－48.

［5]岳楨干.黑體輻射源技術(shù)的發(fā)展趨勢(下)［J］.紅外，2012，33(8): 44－45.

［6]齊宏，牛春洋，阮立明，等.不透明材料波段法向發(fā)射率在線測量方法［J］.實驗技術(shù)與管理，2014，31(12): 31－34.

［7]周恩，李文軍，劉輝，等.一種發(fā)射率測量系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.中國計量學(xué)院學(xué)報，2014，25(3): 253－257.

·經(jīng)驗交流·

(收稿日期:2015－03－19)

doi:10.3969/j.issn.1004－437X.2015.06.035

【中圖分類號】R－331