CN102353691A - 基于半球型前置反射器的多光谱发射率在线测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

基于半球型前置反射器的多光谱发射率在线测量装置及方法，涉及一种光谱发射率在线测量装置及方法。它解决了现有光谱发射率在线测量方法的检测精度较低、易对被测材料造成破坏的问题。本发明的半球型前置反射器的侧壁底部与导轨滑动连接；光学瞄准探头悬挂在待测试件的正上方，且其探测面面向待测试件的上表面；多光谱仪的信号输入端通过光纤与光学瞄准探头的信号输出端连接。本发明的通过半球型前置反射器和光纤式多光谱仪实现发射率在线测量，无需破坏待测试件表面而实现了非接触在线测量，测量结果精度高。本发明适用于测量物体的发射率。

Description

基于半球型前置反射器的多光谱发射率在线测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种光谱发射率在线测量装置及方法。

背景技术

物体的发射率是描述物体热辐射性质的基本参数之一。其在航天航空、军事国防和工农业生产中都具有重要的作用。如卫星的热控、制导与隐身、太阳能利用、红外加热和辐射测温领域中都与材料发射率密不可分。国内外从事材料发射率的研究近年来取得了较大的进步，解决了实验室内光谱发射率测量问题。但现代军事技术、材料科学及能源科学急需能够在线发射率测量的设备，在此方面的研究还很少。

目前在线测量方法最实用的数转换黑体法和多光谱法，其他的方法难以满足在线测量发射率的实际需要。转换黑体法基本原理是在试样上钻孔或加反射罩，使被测材料逼近黑体或变为黑体，使得在同一温度下用同一探测器分别测量黑体及样品的辐射功率，从而得到材料发射率，这种方法会造成被测材料的损坏，并且检测精底较低；多光谱辐射测温法是利用多个光谱下的物体辐射亮度测量信息，经过数据处理得到物体的真实温度及光谱发射率。其优点是：可直接测量发射率，检测速度快，便携等；缺点是：只适用于较小尺寸的样品，易对被测材料造成破坏，需在目标周围安装一些辅助工具。

发明内容

本发明是为了解决现有光谱发射率在线测量方法的检测精度较低、易对被测材料造成破坏的问题，从而提供一种基于半球型前置反射器的多光谱发射率在线测量装置及方法。

基于半球型前置反射器的多光谱发射率在线测量装置，它包括多光谱仪、光学瞄准探头、半球型前置反射器、导轨和支撑架，导轨的两端固定在支撑架上，导轨的主体水平设置，且位于待测试件的上方；半球型前置反射器为下开口结构，半球型前置反射器的顶面开有光辐射孔，所述半球型前置反射器的球面底部与导轨滑动连接；光学瞄准探头悬挂在待测试件的正上方，且所述光学瞄准探头的探测面面向待测试件的上表面；光学瞄准探头的探测面与待测试件的上表面的距离大于半球型前置反射器的高度；多光谱仪的信号输入端与光学瞄准探头的信号输出端连接。

基于上述装置的基于半球型前置反射器的多光谱发射率在线测量方法，它由以下步骤实现：

步骤一、将半球型前置反射器平移至待测试件的正上方，采用光学瞄准探头对准并探测半球型前置反射器顶面的光辐射孔的辐射光束，

根据公式：

L₁(λ，T)＝f(ε(λ，T))L(λ，T)

获得垂直于待测试件平面方向的辐射亮度L₁(λ，T)，式中：f(ε(λ，T))是半球型前置反射器空腔有效发射率函数；L(λ，T)是待测试件表面在相同条件下黑体的辐射亮度；

步骤二、将半球型前置反射器平移出光学瞄准探头探测面的探测范围，采用光学瞄准探头直接探测待测试件上表面的辐射光束，并根据公式：

L₂(λ，T)＝ε(λ，T)L(λ，T)

获得垂直于待测试件所在平面方向的辐射亮度L₂(λ，T)，式中ε(λ，T)是试件表面的法向光谱发射率，L(λ，T)是待测试件表面在相同条件下黑体的辐射亮度；

步骤三、根据公式：

$V_{{\mathrm{\λ}}_i,R}=R\left({\mathrm{\λ}}_i\right)L_1({\mathrm{\λ}}_i,T)$

获得光路中加入半球型前置反射器情况下多光谱仪在波长λ_i下的电压输出值

根据公式：

$V_{{\mathrm{\λ}}_i,S}=R\left({\mathrm{\λ}}_i\right)L_2({\mathrm{\λ}}_i,T)$

获得光路中不加入半球型前置反射器情况下多光谱仪在波长λ_i下的电压输出值

式中：R(λ_i)是光纤式多光谱仪的光谱响应函数，对于任一波长λ_i下R(λ_i)是一定值；

步骤四、根据公式

$V_{{\mathrm{\λ}}_i,1}/V_{{\mathrm{\λ}}_i,2}=f(\mathrm{\ϵ},(\mathrm{\λ},T))/\mathrm{\ϵ}(\mathrm{\λ},T)$

获得待测试件4的发射率ε(λ，T)。

有益效果：本发明的通过半球型前置反射器和光纤式多光谱仪实现发射率在线测量，无需破坏待测试件表面而实现了非接触在线测量，测量结果精度高，并且易于维护，可操作性强。

附图说明

图1是本发明装置的结果示意图；图2是图1的A-A向剖视图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1和图2说明本具体实施方式，基于半球型前置反射器的多光谱发射率在线测量装置，它包括多光谱仪1、光学瞄准探头3、半球型前置反射器5、导轨6和支撑架，导轨6的两端固定在支撑架上，导轨的主体水平设置，且位于待测试件4的上方；半球型前置反射器5为下开口结构，半球型前置反射器5的顶面开有光辐射孔，所述半球型前置反射器5的球面底部与导轨6滑动连接；光学瞄准探头3悬挂在待测试件4的正上方，且所述光学瞄准探头3的探测面面向待测试件4的上表面；光学瞄准探头3的探测面与待测试件4的上表面的距离大于半球型前置反射器5的高度；多光谱仪1的信号输入端与光学瞄准探头3的信号输出端连接。所述导轨6可使半球型前置反射器5实现二维运动。

本发明中的光学瞄准探头3是通过对准半球型前置反射器5的光辐射孔和待测试件4以便多光谱仪1测量不同情况下样待测物体4的辐射亮度。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于半球型前置反射器的多光谱发射率在线测量装置的区别在于，它还包括光纤2，多光谱仪1的信号输入端通过光纤2与光学瞄准探头3的信号输出端连接。

具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式一或二所述的基于半球型前置反射器的多光谱发射率在线测量装置的区别在于，它还包括步进电机，所述步进电机用于带动半球型前置反射器5沿导轨的长度方向平移。

具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式三所述的基于半球型前置反射器的多光谱发射率在线测量装置的区别在于，它还包括计算机，多光谱仪1的信号输出端与计算机的信号输入端连接。

具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式一、二或四所述的基于半球型前置反射器的多光谱发射率在线测量装置的区别在于，多光谱仪1为光纤多光谱仪。

本发明中的多光谱仪1是由分光系统将光纤2传导的辐射能量准直、色散成不同波长的具有不同角度的多路平行的光束，成像在焦平面上而被多元探测器阵列吸收。探测器阵列完成辐射能转换为电能后经由前置放大器和采样保持器等组成的电气系统将采集的数据传送电脑进行后续处理。

具体实施方式六、本具体实施方式与具体实施方式五所述的基于半球前置反射器的多光谱发射率在线测量装置的区别在于，半球型前置反射器5为内表面为经抛光处理后的半球型前置反射器。

具体实施方式七、基于具体实施方式一所述的基于半球前置反射器的多光谱发射率在线测量方法，它由以下步骤实现：

步骤一、将半球型前置反射器5平移至待测试件4的正上方，采用光学瞄准探头3探测半球型前置反射器5顶面的光辐射孔的辐射光束，

根据公式：

L₁(λ，T)＝f(ε(λ，T))L(λ，T)

获得垂直于待测试件4平面方向的辐射亮度L₁(λ，T)，式中：f(ε(λ，T))是半球型前置反射器5空腔有效发射率函数；L(λ，T)是待测试件4表面在相同条件下黑体的辐射亮度；

步骤二、将半球型前置反射器5平移出光学瞄准探头3探测面的探测范围，采用光学瞄准探头3直接探测待测试件4上表面的辐射光束，并根据公式：

L₂(λ，T)＝ε(λ，T)L(λ，T)

获得垂直于待测试件所在平面方向的辐射亮度L₂(λ，T)，式中ε(λ，T)是试件表面的法向光谱发射率，L(λ，T)是待测试件4表面在相同条件下黑体的辐射亮度；

步骤三、根据公式：

$V_{{\mathrm{\λ}}_i,R}=R\left({\mathrm{\λ}}_i\right)L_1({\mathrm{\λ}}_i,T)$

获得光路中加入半球型前置反射器5情况下多光谱仪1在波长λ_i下的电压输出值 $V_{{\mathrm{\λ}}_i,R};$

根据公式：

$V_{{\mathrm{\λ}}_i,S}=R\left({\mathrm{\λ}}_i\right)L_2({\mathrm{\λ}}_i,T)$

获得光路中不加入半球型前置反射器5情况下多光谱仪1在波长λ_i下的电压输出值 $V_{{\mathrm{\λ}}_i,S};$

式中：R(λ_i)是光纤式多光谱仪的光谱响应函数，对于任一波长λ_i下R(λ_i)是一定值；

步骤四、根据公式

$V_{{\mathrm{\λ}}_i,1}/V_{{\mathrm{\λ}}_i,2}=f(\mathrm{\ϵ},(\mathrm{\λ},T))/\mathrm{\ϵ}(\mathrm{\λ},T)$

获得待测试件4的发射率ε(λ，T)。

Claims (7)

1.基于半球型前置反射器的多光谱发射率在线测量装置，其特征是：它包括多光谱仪(1)、光学瞄准探头(3)、半球型前置反射器(5)、导轨(6)和支撑架，导轨(6)的两端固定在支撑架上，导轨的主体水平设置，且位于待测试件(4)的上方；半球型前置反射器(5)为下开口结构，半球型前置反射器(5)的顶面开有光辐射孔，所述半球型前置反射器(5)的球面底部与导轨(6)滑动连接；光学瞄准探头(3)悬挂在待测试件(4)的正上方，且所述光学瞄准探头(3)的探测面面向待测试件(4)的上表面；光学瞄准探头(3)的探测面与待测试件(4)的上表面的距离大于半球型前置反射器(5)的高度；多光谱仪(1)的信号输入端与光学瞄准探头(3)的信号输出端连接。

2.根据权利要求1所述的基于半球型前置反射器的多光谱发射率在线测量装置，其特征在于它还包括光纤(2)，多光谱仪(1)的信号输入端通过光纤(2)与光学瞄准探头(3)的信号输出端连接。

3.根据权利要求1或2所述的基于半球型前置反射器的多光谱发射率在线测量装置，其特征在于它还包括步进电机，所述步进电机用于带动半球型前置反射器(5)沿导轨的长度方向平移。

4.根据权利要求3所述的基于半球型前置反射器的多光谱发射率在线测量装置，其特征在于它还包括计算机，多光谱仪(1)的信号输出端与计算机的信号输入端连接。

5.根据权利要求1、2或4所述的基于半球型前置反射器的多光谱发射率在线测量装置，其特征在于多光谱仪(1)为光纤多光谱仪。

6.根据权利要求5所述的基于半球型前置反射器的多光谱发射率在线测量装置，其特征在于半球型前置反射器(5)为内表面为经抛光处理后的半球型前置反射器。

7.基于要求要求1所述的基于半球型前置反射器的多光谱发射率在线测量方法，其特征是：它由以下步骤实现：

步骤一、将半球型前置反射器(5)平移至待测试件(4)的正上方，采用光学瞄准探头(3)对准并探测半球型前置反射器(5)顶面的光辐射孔的辐射光束，

根据公式：

L₁(λ，T)＝f(ε(λ，T))L(λ，T)

获得垂直于待测试件(4)所在平面方向的辐射亮度L₁(λ，T)，式中：f(ε(λ，T))定义为半球型前置反射器(5)空腔有效发射率函数，其中ε(λ，T)是待测试件表面的法向光谱发射率，它是波长λ和温度T的函数；L(λ，T)是待测试件(4)表面在相同条件下黑体的辐射亮度；

步骤二、将半球型前置反射器(5)平移出光学瞄准探头(3)探测面的探测范围，采用光学瞄准探头(3)直接探测待测试件(4)上表面的辐射光束，并根据公式：

L₂(λ，T)＝ε(λ，T)L(λ，T)

获得垂直于待测试件平面方向的辐射亮度L₂(λ，T)，式中ε(λ，T)是待测试件表面的法向光谱发射率；

步骤三、根据公式：

$V_{{\mathrm{\λ}}_i,R}=R\left({\mathrm{\λ}}_i\right)L_1({\mathrm{\λ}}_i,T)$

获得光路中加入半球型前置反射器(5)情况下多光谱仪(1)在波长λ_i下的电压输出值 $V_{{\mathrm{\λ}}_i,R};$

根据公式：

$V_{{\mathrm{\λ}}_i,S}=R\left({\mathrm{\λ}}_i\right)L_2({\mathrm{\λ}}_i,T)$

获得光路中不加入半球型前置反射器(5)情况下多光谱仪(1)在波长λ_i下的电压输出值

式中：R(λ_i)是光纤式多光谱仪的光谱响应函数，对于任一波长λ_i下R(λ_i)是一定值；

步骤四、根据公式

$V_{{\mathrm{\λ}}_i,1}/V_{{\mathrm{\λ}}_i,2}=f(\mathrm{\ϵ},(\mathrm{\λ},T))/\mathrm{\ϵ}(\mathrm{\λ},T)$

获得待测试件(4)的发射率ε(λ，T)。

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