CN102042993B - 一种高温材料法向光谱发射率测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温材料法向光谱发射率测量系统，包括：真空加热单元，其上部设置测试样品，对测试样品下表面进行辐射加热；水冷套筒单元，套设在测试样品上部，将测试样品上表面置于恒温冷环境中；光纤传感器测量单元，设置在测试样品上方，测量测试样品上表面的法向光谱辐射强度；数据采集与分析单元，与光纤传感器测量单元连接，依据所测得的法向光谱辐射强度，通过多光谱反演算法，计算其法向光谱发射率。本发明实现了0.4μm～1.7μm光谱范围、600℃～1500℃温度范围的材料法向光谱发射率测量，测量无需在线辐射定标，技术实现简单、准确可靠，克服了现有光谱发射率装置价格昂贵、构造复杂、技术实施难度较大等应用的局限性。

Description

一种高温材料法向光谱发射率测量系统

技术领域

本发明涉及测量材料热物理参数技术领域，特别涉及一种高温材料法向光谱发射率测量系统，适用于测量高温金属、非金属材料的表面法向光谱发射率。

背景技术

法向光谱发射率是材料的重要热物性参数之一，表征了材料表面的光谱辐射能力，是辐射测温与辐射换热分析的重要基础物性数据。在航空航天、石油化工、冶金、钢铁、水泥、玻璃、微电子加工等工业领域，辐射测温是解决生产环节中的高温温度在线测量与诊断的有效手段，然而材料光谱发射率的未知性是实现辐射温度准确测量的主要障碍；此外，高温状态下的光谱发射率数据，对研究光谱选择性辐射表面的材料和涂层尤为重要。光谱发射率与材料的组分、温度、波长范围、表面状态等诸多因素复杂相关，对于特定的测量实例，已有文献中的相关光谱发射率数据并不能完全满足应用需求。

国内外从事热测量科学的学者对材料法向光谱发射率的相关测量技术开展了许多研究工作。根据测试原理的不同，发射率测量方法可分为量热法(如稳态和瞬态)、反射法(如热腔反射计法、积分球反射计法、激光偏振法)、能量法(如红外傅立叶光谱法、黑体法)、多波长法等。其中采用傅立叶光谱法进行发射率测量的研究工作较为典型，例如：1)1992年，德国Lindermeir等人利用傅里叶红外光谱仪设计了一套能够同时测量物体发射率和温度(500K以下)的装置，测量的波长范围为1.3～5.4μm；2)2003年，日本Yajima等人采用分离黑体法建立了一套高温下可同时测量全光谱发射率和光学常数的测试系统，对钼和氧化锆试样在光谱范围2～10μm、温度范围900～1400K条件下进行了试验；3)2007年，戴景民等采用傅里叶光谱仪研制了固体材料光谱发射率测量装置，光谱范围0.66～25μm，温度范围100～1500℃。

目前，基于傅里叶光谱仪的光谱发射率测量系统，尽管能够实现宽波长范围、宽温度范围的光谱发射率的高精度测量，但是价格昂贵、构造复杂。因此，针对于实际的高温测量应用需求，发展一种技术实施难度小、简单可靠的高温光谱发射率测量系统，是很有意义的工作。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是建立一种高温材料法向光谱发射率测量系统，实现0.4μm～1.7μm光谱范围、600℃～1500℃温度范围的材料法向光谱发射率测量。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种高温材料法向光谱发射率测量系统，包括：

真空加热单元，其上部设置测试样品，对测试样品下表面进行辐射加热；

水冷套筒单元，套设在所述测试样品上部，将测试样品上表面置于恒温冷环境中；

光纤传感器测量单元，设置在所述测试样品上方，测量测试样品上表面的法向光谱辐射强度；

数据采集与分析单元，与所述光纤传感器测量单元连接，依据所测得的所述测试样品上表面的法向光谱辐射强度，通过多光谱反演算法，计算其法向光谱发射率。

上述一种高温材料法向光谱发射率测量系统中，所述真空加热单元包括真空辐射加热室和与所述真空辐射加热室相连的真空泵。

上述一种高温材料法向光谱发射率测量系统中，所述水冷套筒单元包括水冷圆柱套筒，由黄铜制成，所述水冷圆柱套筒筒壁内通有循环冷水，内壁表面均匀涂有发射率不小于0.9的高发射率材料。

上述一种高温材料法向光谱发射率测量系统中，所述光纤传感器测量单元包括：

光纤保护套筒，设置在所述水冷圆柱套筒内，位于所述测试样品上方；

光阑，设置在所述光纤保护套筒底部；

光学镜头，固定在所述光阑上；

过真空光纤，与所述光学镜头耦合连接；

可见光-近红外光谱仪，分别与所述过真空光纤和数据采集与分析单元连接。

上述一种高温材料法向光谱发射率测量系统中，所述测试样品侧面设置有绝热夹板，所述绝热夹板卡在所述水冷圆柱套筒和测试样品之间。

上述一种高温材料法向光谱发射率测量系统中，所述真空辐射加热室为不锈钢制成的圆筒空腔，空腔侧壁和底面均设置有红外辐射加热器件，空腔顶面具有开口，所述测试样品设置在所述开口处。

上述一种高温材料法向光谱发射率测量系统中，所述红外辐射加热器件为硅钼棒或硅碳棒，其工作温度上限为1600℃。

上述一种高温材料法向光谱发射率测量系统中，所述光纤传感器测量单元采用高温黑体炉进行光谱辐射强度测量响应的离线定标，定标后的光纤传感器测量单元用于在线获得所述测试样品在可见光-近红外光谱范围内的绝对光谱辐射强度。

上述一种高温材料法向光谱发射率测量系统中，所述光纤保护套筒和光阑均由金属材料制成。

(三)有益效果

(1)上述技术方案采用了水冷圆柱套筒、光阑和光纤传输测量等相结合的测试技术，具有光路设计简单、辐射测量干扰少等优点，测量系统可以进行离线的绝对光谱辐射强度的定标，避免了在线辐射定标所带来的复杂系统设计与技术实施困难；

(2)上述技术方案的数据采集与分析单元利用多光谱辐射测量反演算法同时获得了测试目标的热力学温度和光谱发射率数据，避免了热电偶表面测温的局限性；

(3)上述技术方案所述的测量系统实现了光谱范围0.4μm～1.7μm，温度范围600℃～1500℃的法向光谱发射率的测量，系统适用于金属、非金属、导体、非导体等各种材料的高温测量。

附图说明

图1是本发明实施例的一种高温材料法向光谱发射率测量系统的结构图示。

其中，1：真空辐射加热室；2：水冷圆柱套筒；3：光纤保护套筒；4：光阑；5：过真空光纤；6：光学镜头；7：测试样品；8：绝热夹板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1示出了本实施例的一种高温材料法向光谱发射率测量系统的结构示意图，包括真空加热单元、水冷套筒单元、光纤传感器测量单元以及数据采集与分析单元。真空加热单元对真空环境下的测试样品进行下表面加热；样品上表面作为被测试表面，水冷套筒单元为样品测试表面提供一个恒温冷环境；光纤传感器测量单元实现样品测试表面的法向光谱辐射强度的测量，样品上表面法向辐射通过光纤导出至测量单元中的光谱仪；光谱仪的输出信号经过数据采集与分析单元的处理，依据所获得的测试表面的绝对光谱辐射强度数据，通过多光谱辐射测量反演算法，同时计算出高温表面的法向光谱发射率和热力学温度。

真空加热单元由真空辐射加热室1和与之相连的真空泵组成，其中真空辐射加热室1是真空加热单元的主要组成部分，为不锈钢制成的圆筒空腔，内径20cm，高度40cm，空腔侧壁和底面设置有高发射率的红外辐射加热器件，例如硅钼棒、硅碳棒等，通过调节红外加热器件的电功率，即可以设置不同的高温工作状态，其中温度由真空辐射加热室1内设置的高温热电偶监测，工作温度上限可达到1600℃。真空辐射加热室1空腔的顶面留有开口，放置被测试样品7，样品直径为3cm。真空辐射加热室1的高温加热元件对测试样品7的下表面进行辐射加热，使整个测试样品7达到稳定的高温测试状态。

水冷套筒单元包括水冷圆柱套筒2，该套筒由高导热率的黄铜加工制成，内径10cm，高度30cm，套筒薄壁内通有低温循环冷水，套筒内壁表面均匀涂有发射率不小于0.9的高发射率材料，以提供一个近似黑体的环境，水冷圆柱套筒2设置于测试样品7上部空间，为测试样品7上表面辐射测量提供一个低反射的冷环境，减少测量中的高温反射辐射干扰。

测试样品7的侧面设有绝热夹板8，绝热夹板8卡在测试样品7和水冷圆柱套筒2之间，一方面有固定测试样品7的作用，另一方面防止真空辐射加热室1的高温辐射对于上部空间的加热。

光纤传感器测量单元是测量系统的核心单元之一，主要包括光纤保护套筒3、光阑4、过真空光纤5、微型光学镜头6和可见光-近红外光谱仪。光纤保护套筒3采用金属制成，设置在水冷圆柱套筒2内，用以固定、保护过真空光纤5，以免受到意外高温辐射的影响；光阑4固定在光纤保护套筒3底部，光阑孔径1cm，用以最大程度的限制进入光纤测量光路的杂散光；光学镜头6固定在光阑4上，并与过真空光纤5耦合连接，光学镜头6距离测试样品1cm左右，将测试样品7的表面中心区域的法向辐射聚焦至过真空光纤5入口，法向辐射通过过真空光纤5传输至与其相连的可见光-近红外光谱仪，获得0.4μm～1.7μm光谱范围内的光谱辐射强度分布。

光纤传感器测量单元通过高温黑体炉进行绝对光谱辐射强度的离线定标，定标黑体炉的温度设置范围600℃～1500℃，获得0.4μm～1.7μm范围内的绝对光谱辐射强度的校正系数，用以校准测量上述测量步骤所获得的光谱辐射强度数据，校正系数内嵌于测量系统中。

测量系统的数据采集与分析单元与可见光-近红外光谱仪连接，将可见光-近红外光谱仪所输出的光谱辐射强度信息进行分析处理，依据所获得的测试表面的绝对光谱辐射强度数据，通过多光谱辐射测量反演算法，计算出高温表面的热力学温度，避免了使用热电偶测温的不准确以及对样品表面造成影响，进而可以获得表面的法向光谱发射率。

多光谱辐射测量反演算法的基本原理如下所述：

测量方程组为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{meas}}({\mathrm{\λ}}_1,T)=\mathrm{\ϵ}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_1}\left(T\right)\\ I_{\mathrm{meas}}({\mathrm{\λ}}_2,T)=\mathrm{\ϵ}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_2}\left(T\right)\\ ......\\ I_{\mathrm{meas}}({\mathrm{\λ}}_n,T)=\mathrm{\ϵ}\left({\mathrm{\λ}}_n\right)\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_n}\left(T\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中T，测试表面的温度；λ，波长；I_meas(λ，T)为测试表面的绝对光谱辐射强度分布，是测量已知量；I_b，λ(T)为相同波长、温度下的黑体辐射强度分布；ε(λ)为测试表面的光谱发射率。式(1)中的n个方程代表了n个波长(或光谱)下的辐射测量方程，即有n个已知量，同时式(1)中的未知量包括1个待求温度T和n个待求的光谱发射率(ε(λ₁)，ε(λ₂)，…，ε(λ_n))。

在窄光谱区间范围内，实际物体的光谱发射率表现形式简单，可以用简单的数学模型予以精确描述表征，例如灰体假设模型(发射率是常数)、线性模型、指数模型等。此处以线性模型为例，

ε(λ)＝a₀+a₁·λ                    (2)

其中a₀和a₁为待定系数，在测量的n个波长中，选择若干个波长构成一个窄光谱子区间，逐一进行子区间分组。假设每组子区间均满足式(2)。由此，结合式(1)与式(2)，应用最小二乘法处理实验数据，当式(3)取最小值时，即可求得所对应的热力学温度，

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[I_{\mathrm{meas}}({\mathrm{\λ}}_i,T)-\mathrm{\ϵ}\left({\mathrm{\λ}}_i\right)\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_i}\left(T\right)]}^2---\left(3\right)$

将求解的温度值带入式(1)，可以计算获得光谱发射率(ε(λ₁)，ε(λ₂)，…，ε(λ_n))。

测量过程实施步骤如下：

(a)安装测试样品以及调试好测试系统相关设备，启动真空泵，使真空辐射加热室1内的真空度达到1×10^-3Pa。

(b)开启加热电源，使红外辐射加热器件达到预定的温度值状态，温度值稳点后，启动可见光-近红外光谱仪采集功能，完成该实验状态下的测试样品7表面辐射光谱的采集与记录。

(c)停止加热，关闭真空泵，实验结束。

基于公式(1)～(3)，计算获得样品表面热力学温度和光谱发射率。

由以上实施例可以看出，本发明实施例通过采用水冷圆柱套筒、光阑和光纤传输测量等相结合的测试技术，具有光路设计简单、辐射测量干扰少等优点，测量系统可以进行离线的绝对辐射强度的定标，避免了在线辐射定标所带来的复杂系统设计与技术实施困难；数据采集与分析单元利用多光谱辐射测量反演算法同时获得了测试目标的热力学温度和光谱发射率数据，避免了热电偶表面测温的局限性；实现了光谱范围0.4μm～1.7μm，温度范围600℃～1500℃的法向光谱发射率的测量，系统适用于金属、非金属、导体、非导体等各种材料的高温测量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高温材料法向光谱发射率测量系统，其特征在于，包括：

真空加热单元，其上部设置测试样品(7)，对测试样品(7)下表面进行辐射加热；

水冷套筒单元，套设在所述测试样品(7)上部，将测试样品(7)上表面置于恒温冷环境中；

光纤传感器测量单元，设置在所述测试样品(7)上方，测量测试样品(7)上表面的法向光谱辐射强度；

数据采集与分析单元，与所述光纤传感器测量单元连接，依据所测得的所述测试样品(7)上表面的法向光谱辐射强度，通过多光谱反演算法，计算其法向光谱发射率；

所述光纤传感器测量单元包括：

光纤保护套筒(3)，设置在所述水冷圆柱套筒(2)内，位于所述测试样品(7)上方；

光阑(4)，设置在所述光纤保护套筒(3)底部；

光学镜头(6)，固定在所述光阑(4)上；

过真空光纤(5)，与所述光学镜头(6)耦合连接；

可见光-近红外光谱仪，分别与所述过真空光纤(5)和数据采集与分析单元连接。

2.如权利要求1所述的一种高温材料法向光谱发射率测量系统，其特征在于，所述真空加热单元包括真空辐射加热室(1)和与所述真空辐射加热室(1)相连的真空泵。

3.如权利要求1所述的一种高温材料法向光谱发射率测量系统，其特征在于，所述水冷套筒单元包括水冷圆柱套筒(2)，由黄铜制成，所述水冷圆柱套筒(2)筒壁内通有循环冷水，内壁表面均匀涂有发射率不小于0.9的高发射率材料。

4.如权利要求3所述的一种高温材料法向光谱发射率测量系统，其特征在于，所述测试样品(7)侧面设置有绝热夹板(8)，所述绝热夹板(8)卡在所述水冷圆柱套筒(2)和测试样品(7)之间。

5.如权利要求2所述的一种高温材料法向光谱发射率测量系统，其特征在于，所述真空辐射加热室(1)为不锈钢制成的圆筒空腔，空腔侧壁和底面均设置有红外辐射加热器件，空腔顶面具有开口，所述测试样品(7)设置在所述开口处。

6.如权利要求5所述的一种高温材料法向光谱发射率测量系统，其特征在于，所述红外辐射加热器件为硅钼棒或硅碳棒，其工作温度上限为1600℃。

7.如权利要求1所述的一种高温材料法向光谱发射率测量系统，其特征在于，所述光纤传感器测量单元采用高温黑体炉进行光谱辐射强度测量响应的离线定标，定标后的光纤传感器测量单元用于在线获得所述测试样品(7)在可见光-近红外光谱范围内的绝对光谱辐射强度。

8.如权利要求1所述的一种高温材料法向光谱发射率测量系统，其特征在于，所述光纤保护套筒(3)和光阑(4)均由金属材料制成。

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