基于傅里葉紅外光譜儀的遠紅外貼法向發(fā)射率測定

李風光　張峻梓　閆鈞　邵蕊娜　康勁風(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紅外貼法向發(fā)射率測定

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

【摘要】本文提出1個針對遠紅外貼類產品法向發(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。運用環(huán)境補償法計算樣品的法向發(fā)射率，并估算出置信水平為95%時的擴展不確定度為0. 5。該方法操作方便，實驗結果穩(wěn)定，填補了醫(yī)療器械行業(yè)中遠紅外貼類產品法向發(fā)射率測試的空白。

【關鍵詞】法向發(fā)射率;遠紅外貼;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，臨床將紅外線根據波長的范圍分為近紅外線(0. 76～1. 5 μm)和遠紅外線(1. 5～400 μm)，其中紅外線8～15 μm的遠紅外線被稱為“生命光線”，該波段的紅外線與人體放射的波段相同，會產生共振現象。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，產生一系列生理反應。國內外專家研究結果表明，遠紅外線的熱效應和使人體共振吸收后主要產生以下幾方面功能:激活生物大分子的活性、促進和改善血液循環(huán)、增強代謝修復、調節(jié)機體失衡等多種生物學作用。目前遠紅外線在部分領域已經得到開發(fā)和利用，有關遠紅外的產品很多，比如遠紅外紡織品、遠紅外線治療儀、遠紅外熱敷墊、遠紅外貼等。遠紅外貼是根據遠紅外的共振、吸收特性研發(fā)的產品之一，遠紅外貼產品中加入遠紅外陶瓷粉后，提高了遠紅外的相關性能。目前，遠紅外貼已成為常用的醫(yī)療器械類產品之一。法向發(fā)射率作為衡量遠紅外產品性能的一個重要指標，也成為監(jiān)管檢驗檢測部門衡量此類醫(yī)療產品是否有效的重要指標，如何快速、有效地對遠紅外貼的法向發(fā)射率進行測定就顯得尤為重要。

遠紅外貼法向發(fā)射率不是物質的本征參數，它與

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

1　實驗原理

遠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，遠紅外材料的主要參數: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［1］。遠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，由于大多數紅外系統(tǒng)都是響應輻射源規(guī)定方向上的一個小立體角內的輻射通量，因而通常測量的都是法向發(fā)射率。據斯忒蕃—玻爾茲曼定律可知處于熱力學溫度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。依據朗伯余弦定律，處于熱力學溫度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，某一物質表面相應的輻射參量分別是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)射率測量產生影響。

本實驗采用環(huán)境補償方法對測試結果進行處理，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)射率是近年來國內外研究的熱點，特別是傅里葉紅外光譜儀制造技術的成熟、造價的降低為紅外光譜儀的廣泛使用奠定了基礎。傅里葉變換紅外光譜法利用邁克爾遜干涉儀和計算機取代了傳統(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、波數精確等優(yōu)點，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，通過分別測量標準黑體輻射源及遠紅外貼樣品在相同環(huán)境和溫度下的相對輻射能量，運用環(huán)境補償方法對實驗數據進行處理，從而實現對遠紅外貼的光譜發(fā)射率的準確測量。該測量系統(tǒng)原理見圖1。

2　實驗過程及結果分析

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，光譜儀主要技術指標: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，黑體溫度設定，取直徑為40 mm的試樣，放置在試樣腔內底部。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，根據公式(5)可以計算出遠紅外貼在8～15 μm的法向發(fā)射率曲線圖。

2.3結果分析為驗證本次試驗的穩(wěn)定性，特選取了3個不同溫度進行遠紅外貼波長在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℃的測試數據并對比實驗結果可見，發(fā)射率圖譜穩(wěn)定，結果表明該實驗方法穩(wěn)定可靠。

在37、42、50℃時遠紅外貼的法向發(fā)射率分別為0. 857、0. 860和0. 864。遠紅外貼法向發(fā)射率圖譜在此范圍內發(fā)射率相對穩(wěn)定，結合遠紅外磁療貼實際應用于約37℃的人體皮膚上，我們把實驗溫度定為37℃。經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據:非線性度最大為0. 19%，重復性偏差最大為0. 06%，黑體空腔發(fā)射率不確定度為0. 05%。

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

4　結論

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

參考文獻

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

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

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

［4]岳楨干.黑體輻射源技術的發(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)的設計與實現［J］.中國計量學院學報，2014，25(3): 253－257.

·經驗交流·

(收稿日期:2015－03－19)

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

【中圖分類號】R－331