CN102564610B - 一种基于能量法的半透明材料高温辐射率测量装置及扣除背景辐射的修正方法 - Google Patents

Abstract

一种基于能量法的半透明材料高温辐射率测量装置及扣除背景辐射的修正方法，涉及一种半透明材料高温法向光谱辐射率修正测试方法，属于高温测量材料物性技术领域。本发明是为了解决传统测试系统造价昂贵、温度加热上限低、测试精度较低的问题。它包括傅立叶红外光谱分析仪、参考黑体炉、可旋转反光镜、加热炉，加热器，温度采集装置，温度巡检操控仪、入射光源、数据处理系统、光阑和半透明试件；所述的加热炉内置有透光口、半透明试件的固定装置和温度采集装置；所述的入射光源发光口的中心轴线、加热炉的透光口的中心轴线、可旋转反光镜的镜面和参考黑体炉出光口的中心轴线与水平轴线共线。用于测量半透明材料表面的高温光谱法向辐射率。

Description

一种基于能量法的半透明材料高温辐射率测量装置及扣除背景辐射的修正方法

技术领域

本发明涉及一种半透明材料高温法向光谱辐射率测量装置及其修正测试方法，属于高温测量材料物性技术领域。

背景技术

辐射率定义为同等温度下材料表面辐射能与黑体辐射能的比值。各种材料表面的辐射率是表征材料表面辐射本领的物理量，是一项极其重要的热物性参数。在很多领域发挥着重要的作用。但是，由于材料表面的辐射率不是材料的本征参数，它不仅与材料组分有关，还与材料的表面条件(粗糙度)有关，而且还与材料的温度和考察的波长等因素有关。即辐射率是以上诸多因素的多元函数。所以其测量存在一定的难度，主要存在测量精度低和温度上限低等问题。

然而，近年来随着材料科学及能源技术的快速发展，对材料辐射率测量的要求越来越苛刻尤其是半透明材料，这些要求一方面表现在辐射率的测量精度要高，另一方面则体现在测量的温度范围要宽、测量温度上下限要极值化上。近年来，由于傅立叶光谱分析仪的优越性能和广泛使用，一些发达国家的学者们开始基于傅立叶光谱分析仪建立光谱辐射率测量装置，但是研究只是刚刚开始，还存在着温度上限低和环境干扰大等不足。

然而，目前国外的光谱辐射率测量装置采用真空测量系统存在价格昂贵，测量成本高，很多谱辐射率测量装置采用激光加热试样，激光加热可以达到很高的温度，但存在加热不均匀、加热温度测量误差大、加热温度上限因材料种类不同而不同以及加热成本高等缺点。

发明内容

本发明是为了解决由于半透明材料自身的半透明特性使得背景辐射噪音大、辐射率测量技术测量精度低和温度上限低的问题，从而提出的一种基于能量法的半透明材料高温辐射率测量装置及扣除背景辐射的修正方法。

一种基于能量法的半透明材料高温辐射率测量装置，它包括傅立叶红外光谱分析仪、参考黑体炉、可旋转反光镜、加热炉，加热器，温度采集装置，温度巡检操控仪、入射光源、数据处理系统和光阑；

所述的加热炉内置有透光口、半透明试件的固定装置和温度采集装置；半透明试件固定在半透明试件的固定装置上，完全遮盖住加热炉的透光口；所述的温度采集装置的温度信号输出端连接温度巡检操控仪的温度信号输入端，温度巡检操控仪的温度控制信号的输出端连接加热器的供电电路的主控端上；傅立叶红外光谱分析仪的数据信号输出端连接数据处理系统的数据信号输入端；

所述的入射光源发光口的中心轴线、加热炉的透光口的中心轴线、可旋转反光镜的镜面中心轴线和参考黑体炉出光口的中心轴线与水平轴线共线；

可旋转反光镜的镜面中心位于参考黑体炉出光口与加热炉的透光口中心的中心连线上；

所述的可旋转反光镜的镜面中心反射的光线的中心轴线、光阑的透光口的中心轴线、傅立叶红外光谱分析仪探测窗口中心轴线与垂直轴线；

水平轴线与垂直轴线垂直相交，交点为可旋转反光镜的镜面中心的中点；

光源的发光口至半透明试件内表面光程为L1，半透明试件外表面至可旋转反光镜中心光程为L2，黑体炉内腔出口至可旋转反光镜的镜面中心光程为L3，可旋转反光镜的镜面中心至傅立叶红外光谱分析仪的探测窗口光程为L4；

其中L2＝L3，最大光程为L1+L2+L4＜950mm；

入射光源发射出的光线透过半透明试件，沿光路到达可旋转反光镜上，可旋转反光镜将到达的光线反射出来，反射的光线穿过光阑的透光口，光阑将所通过的光线近似平行的进入傅立叶光谱分析仪的探测窗口；

参考黑体炉发射出的光线到达顺时针旋转了90度后的可旋转反光镜上，可旋转反光镜将到达的光线反射出来，反射的光线穿过光阑的透光口，光阑将所通过的光线近似平行的进入傅立叶光谱分析仪的探测窗口；

基于一种基于能量法的半透明材料高温辐射率测量装置的扣除背景辐射的修正方法的实现步骤为：

步骤一、启动参考黑体炉，并对光路进行准直调节，测量参考黑体炉在两个不同温度下的光谱辐射信号分布，然后根据去除背景噪声的环境辐射补偿算法确定傅立叶红外光谱分析仪的输入信号与输出信号间的响应函数；具体方法为：

傅立叶红外光谱仪在波长λ处的辐射信号测量输出表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}S\left(\mathrm{\λ}\right)=S^{\′}\left(\mathrm{\λ}\right)+S_0\left(\mathrm{\λ}\right)\\ S^{\′}\left(\mathrm{\λ}\right)=R\left(\mathrm{\λ}\right)G_{1}I(\mathrm{\λ},T)\\ S_0\left(\mathrm{\λ}\right)=R\left(\mathrm{\λ}\right)G_2{I}_0(\mathrm{\λ},T_0)\end{array}\right.$ 公式一

式中，λ为傅立叶红外光谱仪所采集的光的光谱波长，S(λ)为波长λ处的辐射信号测量值，S′(λ)为测量对象的实际辐射信号值，S₀(λ)为环境背景辐射信号值；G₁和G₂分别为试样和环境背景的几何因子，由光路系统的几何关系决定；R(λ)为傅立叶红外光谱分析仪的响应函数；I(λ，T)为试样的光谱辐射强度；I₀(λ，T₀)为环境背景的辐射强度；

确定公式一中G₁R(λ)和G₂R(λ)·I₀(λ，T₀)的值：

将参考黑体炉分别设定为两个不同的温度T₁和T₂，则傅立叶红外光谱分析仪的相应输出为S_b1(λ)和S_b2(λ)，根据公式一可得以下两个等式：

S_b1(λ)＝R(λ)[G₁I_b(λ，T₁)+G₂I₀(λ，T₀)]＝S′_b1(λ)+S₀(λ)    公式二

S_b2(λ)＝R(λ)[G₁I_b(λ，T₂)+G₂I₀(λ，T₀)]＝S′_b2(λ)+S₀(λ)      公式三

式中，S′_b1(λ)和S′_b2(λ)温度T₁和T₂时黑体的真实辐射能量，I_b(λ，T)表示参考黑体炉在温度T时的光谱辐射强度，由普朗克定律计算得：

$I_b(\mathrm{\λ},T)=\frac{c_1{\mathrm{\λ}}^{-5}}{\exp [c_2/\left(\mathrm{\λT}\right)]-1}$ 公式四

其中，c₁＝3.7418×10⁸，c₂＝1.4388×10⁴分别为普朗克定律第一和第二辐射常数，单位分别为W·μm⁴/m²和μm·K，T、T₁和T₂是都大于0摄氏度的温度，且T₁和T₂之间的温度差至少大于或等于200摄氏度；

S₀(λ)反映了傅立叶红外光谱仪测量所得的输出信号与输入信号之间的函数关系，由设备光学系统、电子线路和探测器的响应率等因素决定；

将公式二和公式三联立，得到G₁R(λ)和S₀(λ)的数学表达式：

$G_{1}R\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{S_{b2}\left(\mathrm{\λ}\right)-S_{b1}\left(\mathrm{\λ}\right)}{I_b(\mathrm{\λ},T_2)-I_b(\mathrm{\λ},T_1)}$ 公式五

$S_0\left(\mathrm{\λ}\right)=G_2{I}_0(\mathrm{\λ},T_0)R\left(\mathrm{\λ}\right)=S_{b1}\left(\mathrm{\λ}\right)-\frac{(S_{b2}\left(\mathrm{\λ}\right)-S_{b1}\left(\mathrm{\λ}\right))I_b(\mathrm{\λ},T_1)}{I_b(\mathrm{\λ},T_2)-T_b(\mathrm{\λ},T_1)}$ 公式六

步骤二至步骤五中傅立叶红外光谱分析仪在预定待测温度T下采集获得输出光谱能量分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_1=S_1^{\′}+S_0\\ S_2=S_2^{\′}+S_0\\ S_3=S_2^{\′}\mathrm{\τ}+S_s^{\′}{+}_{}{S}_0\\ S_4=(S_1^{\′}+S_2^{\′})\mathrm{\τ}+S_s^{\′}+S_0\end{array}\right.$ 公式七

其中，S₀——背景环境光谱辐射信号；

S₁——步骤二中傅立叶光谱分析仪探测的光谱辐射信号；

S₂——步骤三中傅立叶光谱分析仪探测的光谱辐射信号；

S₃——步骤四中傅立叶光谱分析仪探测的光谱辐射信号；

S₄——步骤五中傅立叶光谱分析仪探测的光谱辐射信号；

S′₁——入射光源实际的光谱辐射信号；

S′₂——预测温度T下加热炉炉腔的实际光谱辐射信号；

S′_s——预测温度T下半透明试件本身实际光谱辐射信号；

τ——预测温度T下半透明试件光谱透射率；

根据公式七可以求得半透明材料预测温度T下的光谱透射率和半透明试件本身实际光谱辐射信号分别表示为：

$\mathrm{\τ}=\frac{S_4-S_3}{S_1-S_0}$ 公式八

$S_s^{\′}=S_3-S_0-\frac{(S_2-S_0)(S_4-S_3)}{(S_1-S_0)}$ 公式九

由公式一可以得出半透明材料预测温度T下的光谱辐射强度为：

$I_s(\mathrm{\λ},T)=\frac{S_s^{\′}}{G_{1}R\left(\mathrm{\λ}\right)}=\frac{S_3-S_0}{G_{1}R\left(\mathrm{\λ}\right)}-\frac{(S_2-S_0)(S_4-S_3)}{G_{1}R\left(\mathrm{\λ}\right)(S_1-S_0)}$ 公式十

傅立叶红外光谱分析仪对相同温度T下对参考黑体炉进行测量时所得的输出光谱能量S_b(λ，T)为：

S_b＝RG₁·I_b(T)+S₀                     公式十一

同时，获得参考黑体炉的I_b(λ，T)表达式为：

$I_b(\mathrm{\λ},T)=\frac{S_b-S_0}{G_{1}R}=\frac{S_b}{G_{1}R}-\frac{G_2}{G_1}{I}_0\left(T_0\right)$ 公式十二

根据公式十和公式十二，获得不受噪声干扰的半透明试样法向光谱辐射率为：

$\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{I_s(\mathrm{\λ},T)}{I_b(\mathrm{\λ},T)}=\frac{S_3-S_0}{S_b-S_0}-\frac{(S_2-S_0)(S_4-S_3)}{(S_b-S_0)(S_1-S_0)}$ 公式十三

其中，S₁，S₂，S₃，S₄，S_b为傅立叶光谱分析仪(1)探测出的信号值，S₀由公式六求得；

步骤二、打开入射光源，使用傅立叶红外光谱分析仪采集光谱辐射信号数据记做S₁，其中包含：入射光源的实际光谱辐射信号S′₁和环境背景光谱辐射信号S₀；

步骤三、关闭入射光源，加热炉加热到预定测试温度，保持温度稳定，使用傅立叶红外光谱分析仪采集数据记做S₂，得到的数据包含：预定测试温度下炉腔内的光谱辐射信号S′₂和环境背景光谱辐射信号S₀；

步骤四、关闭入射光源，将试样置于加热炉中，试样加热到预定测试温度，保持温度稳定，使用傅立叶红外光谱分析仪采集数据记做S₃，得到的数据S₃包含：透过半透明试件之后剩余的信号S′₂、半透明试件自身光谱辐射信号S′_s和环境背景光谱辐射信号S₀；

步骤五、打开入射光源，半透明试件仍在加热炉中，保持温度稳定，使用傅立叶红外光谱分析仪采集数据记做S₄，其中包含：S′₁，S′₂透过半透明试件之后剩余的信号、半透明试件自身光谱辐射信号S′_s和环境背景光谱辐射信号S₀；

步骤六、将参考黑体炉设定到预定测试温度达到稳定后，转动可旋转反射镜，使用傅立叶红外光谱分析仪采集预定待测温度下参考黑体炉的光谱辐射信号数据，并结合步骤二、步骤三、步骤四、步骤五中获得的预定待测温度下半透明试件的辐射能量利用步骤一中所述的傅立叶红外光谱分析仪的输入信号与输出信号间的响应函数，计算获得半透明试件辐射率值，实现半透明试件辐射率的测量。

本发明首先对两种不同温度黑体炉光谱辐射信号进行测量，计算出了环境背景光谱辐射信号。其次本发明又设计了实现了四种情况下，光谱辐射信号的测量。再将四次测量的信号组成方程组，经计算得到了半透明材料高温光谱透射率和半透明材料自身实际的光谱辐射，从而精确计算出了扣除环境背景辐射的影响后的半透明材料高温光谱辐射率。

1、本发明能够扣除背景辐射的干扰，无须真空测量系统即可达到很好的测量效果，测量成本低。

2、本测量装置采用常规电加热系统加热试件，具有加热均匀、加热温度测量误差小、加热温度不随材料种类变化、加热成本低等优点。

3、本测量装置测量高，光谱发射率测量相对误差小于3％。

4、本测量装置试样加热温度可达1773K，而国外采用常规加热方式(电加热方式)的光谱辐射率测量装置的试样加热温度仅能达到1200K。

附图说明

图1是本发明测量装置的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式。

一种基于能量法的半透明材料高温辐射率测量装置，其特征在于：它包括傅立叶红外光谱分析仪1、参考黑体炉2、可旋转反光镜3、加热炉4，加热器5，温度采集装置6，温度巡检操控仪7、入射光源8、数据处理系统9和光阑10；

所述的加热炉4内置有透光口12、半透明试件的固定装置14和温度采集装置6；半透明试件11固定在半透明试件的固定装置14上，遮盖住加热炉4的透光口12；所述的温度采集装置6的温度信号输出端连接温度巡检操控仪7的温度信号输入端，温度巡检操控仪7的温度控制信号的输出端连接加热器5的供电电路的主控端上；傅立叶红外光谱分析仪1的数据信号输出端连接数据处理系统9的数据信号输入端；

所述的入射光源8发光口的中心轴线、加热炉4的透光口12的中心轴线和参考黑体炉2出光口的中心轴线与水平轴线b共线；

可旋转反光镜3的镜面中心位于参考黑体炉2出光口与加热炉4的透光口12中心的中心连线上；

所述的可旋转反光镜3的镜面中心反射的光线的中心轴线、光阑10的透光口的中心轴线、傅立叶红外光谱分析仪1探测窗口中心轴线与垂直轴线a共线；

水平轴线b与垂直轴线a垂直相交，交点为可旋转反光镜3的镜面中心的中点；

光源8的发光口至半透明试件11内表面光程为L1，半透明试件11外表面至可旋转反光镜3中心光程为L2，黑体炉2内腔出口至可旋转反光镜3的镜面中心光程为L3，可旋转反光镜3的镜面中心至傅立叶红外光谱分析仪1的探测窗口光程为L4；

其中L2＝L3，L1+L2+L4＜950mm；

入射光源8发射出的光线透过半透明试件11，沿光路到达可旋转反光镜3上，可旋转反光镜3将到达的光线反射出来，反射的光线穿过光阑10的透光口，光阑10将所通过的光线近似平行的进入傅立叶光谱分析仪1的探测窗口；

参考黑体炉2发射出的光线到达顺时针旋转了90度后的可旋转反光镜3上，可旋转反光镜3将到达的光线反射出来，反射的光线穿过光阑10的透光口，光阑10将所通过的光线近似平行的进入傅立叶光谱分析仪1的探测窗口；

下面是各组成元素的工作原理和作用：

所述的傅里叶光谱仪1：主要由光学测量部分和计算部分组成。光学测量部分大多为迈克尔逊干涉仪，光源发射的光由分光器分为相等两部分：光束1和光束2。光束1经可移动反射镜反射，经过分光器和补偿器到探测器，另一束光由固定反射镜反射回来，最后在探测器处与光束1会合，当两束光达到探测器时，其光程差将随可移动反射镜运动而周期变化。基于光的相干原理，在探测器处得到的是一个强度变化为余弦形式的信号。在连续改变光程的同时，记录下中央干涉条纹的光强变化，就得到干涉图。然后有计算部分计算出光强。

其作用是用于测量试样、黑体炉及环境背景的辐射信号值。

所述的参考黑体炉2：黑体炉为球壳形的空腔，空腔壁面保持均匀的温度，在空腔上开一个小孔。射入小孔的辐射在空腔内要经过多次的吸收和反射，而每经历一次吸收，辐射能就按照内壁吸收率的大小被减弱一次，最终能离开小孔的能量是微乎其微的，可以认为所投入的辐射完全在空腔内部被吸收。所以，就辐射特性而言，小孔具有黑体表面一样的性质。

其作用是提供与试样同温的黑体。

所述的可旋转反光镜3：主要用于切换试样和参考黑体炉辐射信号的测量。

所述的加热炉4：它包括加热器5和温度采集装置6。主要用于加热半透明试件11和测量加热炉温度。

所述的加热器5：是由U型硅钼加热棒电加热，用于加热半透明试件11。

所述的温度采集装置6，其工作原理为：温度采集装置6为高温热电偶，其基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。

作用：测量加热炉4的温度。

所述的温度巡检操控仪7：其工作原理是PID控制原理。

作用：控制加热炉温度。

所述的入射光源8：

作用：为半透明试件11透射信号的测量提供光源。

所述的数据处理系统9：

作用：进行实验数据的处理，得出实验结果曲线。

所述的光阑10：

原理：控制光束通过的多少。

作用：减少环境背景辐射对测量信号的影响，并使得光线近似平行的进入傅立叶光谱分析仪的探测窗口。

具体实施方式二：一种基于能量法的半透明材料高温辐射率测量装置的扣除背景辐射的修正方法，其特征在于实现的步骤为：

步骤一、启动参考黑体炉2，并对光路进行准直调节，测量参考黑体炉2在两个不同温度下的光谱辐射信号分布，然后根据去除背景噪声的环境辐射补偿算法确定傅立叶红外光谱分析仪1的输入信号与输出信号间的响应函数；具体方法为：

傅立叶红外光谱仪1在波长λ处的辐射信号测量输出表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}S\left(\mathrm{\λ}\right)=S^{\′}\left(\mathrm{\λ}\right)+S_0\left(\mathrm{\λ}\right)\\ S^{\′}\left(\mathrm{\λ}\right)=R\left(\mathrm{\λ}\right)G_{1}I(\mathrm{\λ},T)\\ S_0\left(\mathrm{\λ}\right)=R\left(\mathrm{\λ}\right)G_2{I}_0(\mathrm{\λ},T_0)\end{array}\right.$ 公式一

式中，λ为傅立叶红外光谱仪1所采集的光的光谱波长，S(λ)为波长λ处的辐射信号测量值，S′(λ)为测量对象的实际辐射信号值，S₀(λ)为环境背景辐射信号值；G₁和G₂分别为试样和环境背景的几何因子，由光路系统的几何关系决定；R(λ)为傅立叶红外光谱分析仪1的响应函数；I(λ，T)为试样的光谱辐射强度；I₀(λ，T₀)为环境背景的辐射强度；

确定公式一中G₁R(λ)和G₂R(λ)·I₀(λ，T₀)的值：

将参考黑体炉2分别设定为两个不同的温度T₁和T₂，则傅立叶红外光谱分析仪1的相应输出为S_b1(λ)和S_b2(λ)，根据公式一可得以下两个等式：

S_b1(λ)＝R(λ)[G₁I_b(λ，T₁)+G₂I₀(λ，T₀)]＝S′_b1(λ)+S₀(λ)    公式二

S_b2(λ)＝R(λ)[G₁I_b(λ，T₂)+G₂I₀(λ，T₀)]＝S′_b2(λ)+S₀(λ)      公式三

式中，S′_b1(λ)和S′_b2(λ)温度T₁和T₂时黑体的真实辐射能量，I_b(λ，T)表示参考黑体炉2在温度T时的光谱辐射强度，由普朗克定律计算得：

$I_b(\mathrm{\λ},T)=\frac{c_1{\mathrm{\λ}}^{-5}}{\exp [c_2/\left(\mathrm{\λT}\right)]-1}$ 公式四

其中，c₁＝3.7418×10⁸，c₂＝1.4388×10⁴分别为普朗克定律第一和第二辐射常数，单位分别为W·μm⁴/m²和μm·K，T、T₁和T₂是都大于0摄氏度的温度，且T₁和T₂之间的温度差至少大于或等于200摄氏度；

S₀(λ)反映了傅立叶红外光谱仪1测量所得的输出信号与输入信号之间的函数关系，由设备光学系统、电子线路和探测器的响应率等因素决定；

将公式二和公式三联立，得到G₁R(λ)和S₀(λ)的数学表达式：

$G_{1}R\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{S_{b2}\left(\mathrm{\λ}\right)-S_{b1}\left(\mathrm{\λ}\right)}{I_b(\mathrm{\λ},T_2)-I_b(\mathrm{\λ},T_1)}$ 公式五

$S_0\left(\mathrm{\λ}\right)=G_2{I}_0(\mathrm{\λ},T_0)R\left(\mathrm{\λ}\right)=S_{b1}\left(\mathrm{\λ}\right)-\frac{(S_{b2}\left(\mathrm{\λ}\right)-S_{b1}\left(\mathrm{\λ}\right))I_b(\mathrm{\λ},T_1)}{I_b(\mathrm{\λ},T_2)-T_b(\mathrm{\λ},T_1)}$ 公式六

步骤二至步骤五中傅立叶红外光谱分析仪1在预定待测温度T下采集获得输出光谱能量分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_1=S_1^{\′}+S_0\\ S_2=S_2^{\′}+S_0\\ S_3=S_2^{\′}\mathrm{\τ}+S_s^{\′}{+}_{}{S}_0\\ S_4=(S_1^{\′}+S_2^{\′})\mathrm{\τ}+S_s^{\′}+S_0\end{array}\right.$ 公式七

其中，S₀——背景环境光谱辐射信号；

S₁——步骤二中傅立叶光谱分析仪1探测的光谱辐射信号；

S₂——步骤三中傅立叶光谱分析仪1探测的光谱辐射信号；

S₃——步骤四中傅立叶光谱分析仪1探测的光谱辐射信号；

S₄——步骤五中傅立叶光谱分析仪1探测的光谱辐射信号；

S′₁——入射光源实际的光谱辐射信号；

S′₂——预测温度T下加热炉4炉腔的实际光谱辐射信号；

S′_s——预测温度T下半透明试件本身实际光谱辐射信号；

τ——预测温度T下半透明试件光谱透射率；

根据公式七可以求得半透明材料预测温度T下的光谱透射率和半透明试件本身实际光谱辐射信号分别表示为：

$\mathrm{\τ}=\frac{S_4-S_3}{S_1-S_0}$ 公式八

$S_s^{\′}=S_3-S_0-\frac{(S_2-S_0)(S_4-S_3)}{(S_1-S_0)}$ 公式九

由公式一可以得出半透明材料预测温度T下的光谱辐射强度为：

$I_s(\mathrm{\λ},T)=\frac{S_s^{\′}}{G_{1}R\left(\mathrm{\λ}\right)}=\frac{S_3-S_0}{G_{1}R\left(\mathrm{\λ}\right)}-\frac{(S_2-S_0)(S_4-S_3)}{G_{1}R\left(\mathrm{\λ}\right)(S_1-S_0)}$ 公式十

傅立叶红外光谱分析仪1对相同温度T下对参考黑体炉2进行测量时所得的输出光谱能量S_b(λ，T)为：

S_b＝RG₁·I_b(T)+S₀                       公式十一

同时，获得参考黑体炉2的I_b(λ，T)表达式为：

$I_b(\mathrm{\λ},T)=\frac{S_b-S_0}{G_{1}R}=\frac{S_b}{G_{1}R}-\frac{G_2}{G_1}{I}_0\left(T_0\right)$ 公式十二

根据公式十和公式十二，获得不受噪声干扰的半透明试样法向光谱辐射率为：

$\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{I_s(\mathrm{\λ},T)}{I_b(\mathrm{\λ},T)}=\frac{S_3-S_0}{S_b-S_0}-\frac{(S_2-S_0)(S_4-S_3)}{(S_b-S_0)(S_1-S_0)}$ 公式十三

其中，S₁，S₂，S₃，S₄，S_b为傅立叶光谱分析仪1探测出的信号值，S₀由公式六求得；

步骤二、打开入射光源8，使用傅立叶红外光谱分析仪1采集光谱辐射信号数据记做S₁，其中包含：入射光源的实际光谱辐射信号S′₁和环境背景光谱辐射信号S₀；

步骤三、关闭入射光源8，加热炉4加热到预定测试温度，保持温度稳定，使用傅立叶红外光谱分析仪1采集数据记做S₂，得到的数据包含：预定测试温度下炉腔内的光谱辐射信号S′₂和环境背景光谱辐射信号S₀；

步骤四、关闭入射光源8，将半透明试件11置于加热炉4中，试样加热到预定测试温度，保持温度稳定，使用傅立叶红外光谱分析仪1采集数据记做S₃，得到的数据S₃包含：透过半透明试件11之后剩余的信号S′₂、半透明试件11自身光谱辐射信号S′_s和环境背景光谱辐射信号S₀；

步骤五、打开入射光源8，半透明试件11仍在加热炉4中，保持温度稳定，使用傅立叶红外光谱分析仪1采集数据记做S₄，其中包含：S′₁，S′₂透过半透明试件之后剩余的信号、半透明试件自身光谱辐射信号S′_s和环境背景光谱辐射信号S₀；

步骤六、将参考黑体炉2设定到预定测试温度达到稳定后，转动可旋转反射镜3，使用傅立叶红外光谱分析仪1采集预定待测温度下参考黑体炉2的光谱辐射信号数据，并结合步骤二、步骤三、步骤四、步骤五中获得的预定待测温度下试样的辐射能量利用步骤一中所述的傅立叶红外光谱分析仪1的输入信号与输出信号间的响应函数，计算获得半透明材料辐射率值，实现半透明材料辐射率的测量。

具体实施方式三：本实施方式是对实施方式二的进一步说明。

一种基于能量法的半透明材料高温辐射率测量装置扣除背景辐射的修正方法中半透明试件11的尺寸为：圆形试件直径为25～100mm，矩形试件边长为25～100mm。

具体实施方式四：本实施方式是对实施方式二的进一步说明。

一种基于能量法的半透明材料高温辐射率测量装置扣除背景辐射的修正方法中半透明试件11的加热范围是300～1773K，待测光谱波长范围是1.3一28μm。

本发明不局限于上述实施方式，还可以是上述各实施方式中所述技术特征的合理组合。

Claims (6)

1.一种基于能量法的半透明材料高温辐射率测量装置，其特征在于：它包括傅立叶红外光谱分析仪（1）、参考黑体炉（2）、可旋转反光镜（3）、加热炉（4），加热器（5），温度采集装置（6），温度巡检操控仪（7）、入射光源（8）、数据处理系统（9）和光阑（10）；

所述的加热炉（4）内置有透光口（12）、半透明试件的固定装置（14）和温度采集装置（6）；半透明试件（11）固定在半透明试件的固定装置（14）上，遮盖住加热炉（4）的透光口（12）；所述的温度采集装置（6）的温度信号输出端连接温度巡检操控仪（7）的温度信号输入端，温度巡检操控仪（7）的温度控制信号的输出端连接加热器（5）的供电电路的主控端上；傅立叶红外光谱分析仪（1）的数据信号输出端连接数据处理系统（9）的数据信号输入端；

所述的入射光源（8）发光口的中心轴线、加热炉（4）的透光口（12）的中心轴线和参考黑体炉（2）出光口的中心轴线与水平轴线（b）共线；

可旋转反光镜（3）的镜面中心位于参考黑体炉（2）出光口与加热炉（4）的透光口（12）中心的中心连线上；

所述的可旋转反光镜（3）的镜面中心反射的光线的中心轴线、光阑（10）的透光口的中心轴线、傅立叶红外光谱分析仪（1）探测窗口中心轴线与垂直轴线（a）共线；

水平轴线（b）与垂直轴线（a）垂直相交，交点为可旋转反光镜（3）的镜面中心的中点；

光源（8）的发光口至半透明试件（11）内表面光程为L1，半透明试件（11）外表面至可旋转反光镜（3）中心光程为L2，黑体炉（2）内腔出口至可旋转反光镜（3）的镜面中心光程为L3，可旋转反光镜（3）的镜面中心至傅立叶红外光谱分析仪（1）的探测窗口光程为L4；

其中L2=L3，L1+L2+L4<950mm；

入射光源（8）发射出的光线透过半透明试件（11），沿光路到达可旋转反光镜（3）上，可旋转反光镜（3）将到达的光线反射出来，反射的光线穿过光阑（10）的透光口，光阑（10）将所通过的光线近似平行的进入傅立叶光谱分析仪（1）的探测窗口。

2.基于权利要求1所述的一种基于能量法的半透明材料高温辐射率测量装置的扣除背景辐射的修正方法，其特征在于扣除背景辐射的修正方法的实现步骤为：

步骤一、启动参考黑体炉（2），并对光路进行准直调节，测量参考黑体炉（2）在两个不同温度下的光谱辐射信号分布，然后根据去除背景噪声的环境辐射补偿算法确定傅立叶红外光谱分析仪（1）的输入信号与输出信号间的响应函数；具体方法为：

傅立叶红外光谱仪（1）在波长λ处的辐射信号测量输出表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}S\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=S^{\&prime;}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)+S_0\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\\ S^{\&prime;}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=R\left(\mathrm{\&lambda;}\right)G_{1}I(\mathrm{\&lambda;},T)\\ S_0\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=R\left(\mathrm{\&lambda;}\right)G_2{I}_0(\mathrm{\&lambda;},I_0)\end{array}\right.$    公式一

式中，λ为傅立叶红外光谱仪（1）所采集的光的光谱波长，S(λ)为波长λ处的辐射信号测量值，S′(λ)为测量对象的实际辐射信号值，S₀(λ)为环境背景辐射信号值；G₁和G₂分别为试样和环境背景的几何因子，由光路系统的几何关系决定；R(λ)为傅立叶红外光谱分析仪（1）的响应函数；I(λ,T)为试样的光谱辐射强度；I₀(λ,T₀)为环境背景的辐射强度；

确定公式一中G₁R(λ)和G₂R(λ)·I₀(λ,T₀)的值：

将参考黑体炉（2）分别设定为两个不同的温度T₁和T₂，则傅立叶红外光谱分析仪（1）的相应输出为S_b1(λ)和S_b2(λ)，根据公式一可得以下两个等式：

S_b1(λ)=R(λ)[G₁I_b(λ,T₁)+G₂I₀(λ,T₀)]=S_b1′(λ)+S₀(λ)   公式二

S_b2(λ)=R(λ)[G₁I_b(λ,T₂)+G₂I₀(λ,T₀)]=S_b2′(λ)+S₀(λ)   公式三式中，S_b1′(λ)和S_b2′(λ)温度T₁和T₂时黑体的真实辐射能量，I_b(λ,T)表示参考黑体炉（2）在温度T时的光谱辐射强度，由普朗克定律计算得：

$I_b=(\mathrm{\&lambda;},T)=\frac{c_1{\mathrm{\&lambda;}}^{-5}}{\exp [c_2/\left(\mathrm{\&lambda;T}\right)]-1}$ 公式四其中，c₁=3.7418×10⁸,c₂=1.4388×10⁴分别为普朗克定律第一和第二辐射常数，单位分别为W·μm⁴/m²和μm·K，T、T₁和T₂是都大于0摄氏度的温度，且T₁和T₂之间的温度差至少大于或等于200摄氏度；

S₀(λ)反映了傅立叶红外光谱仪（1）测量所得的输出信号与输入信号之间的函数关系，由设备光学系统、电子线路和探测器的响应率等因素决定；

将公式二和公式三联立，得到G₁R(λ)和S₀(λ)的数学表达式：

$G_{1}R\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\frac{S_{b2}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)-S_{b1}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}{I_b(\mathrm{\&lambda;},T_2)-I_b(\mathrm{\&lambda;},T_1)}$    公式五

$S_0\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=G_2{I}_0(\mathrm{\&lambda;},T_0)R\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=S_{b1}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)-\frac{(S_{b2}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)-S_{b1}\left(\mathrm{\&lambda;}\right))I_b\left(\mathrm{\&lambda;}{T}_1\right)}{I_b(\mathrm{\&lambda;},T_2)-I_b(\mathrm{\&lambda;},T_1)}$    公式六

步骤二至步骤五中傅立叶红外光谱分析仪（1）在预定待测温度T下采集获得输出光谱能量分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_1=S_1^{\&prime;}+S_0\\ S_2=S_2^{\&prime;}+S_0\\ S_3=S_2^{\&prime;}\mathrm{\&tau;}+S_s^{\&prime;}+S_0\\ S_4=(S_1^{\&prime;}+S_2^{\&prime;})\mathrm{\&tau;}+S_s^{\&prime;}+S_0\end{array}\right.$    公式七

其中，S₀——背景环境光谱辐射信号；

S₁——步骤二中傅立叶光谱分析仪（1）探测的光谱辐射信号；

S₂——步骤三中傅立叶光谱分析仪（1）探测的光谱辐射信号；

S₃——步骤四中傅立叶光谱分析仪（1）探测的光谱辐射信号；

S₄——步骤五中傅立叶光谱分析仪（1）探测的光谱辐射信号；

S₁′——入射光源实际的光谱辐射信号；

S₂′——预测温度T下加热炉（4）炉腔的实际光谱辐射信号；

S_s′——预测温度T下半透明试件本身实际光谱辐射信号；

τ——预测温度T下半透明试件光谱透射率；

根据公式七可以求得半透明材料预测温度T下的光谱透射率和半透明试件本身实际光谱辐射信号分别表示为：

$\mathrm{\&tau;}=\frac{S_4-S_3}{S_1-S_0}$    公式八

$S_s^{\&prime;}=S_3-S_0-\frac{(S_2-S_0)(S_4-S_3)}{(S_1-S_0)}$    公式九

由公式一可以得出半透明材料预测温度T下的光谱辐射强度为：

$I_s=(\mathrm{\&lambda;},T)=\frac{S_s^{\&prime;}}{G_{1}R\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}=\frac{S_3-S_0}{G_{1}R\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}-\frac{(S_2-S_0)(S_4-S_3)}{G_{1}R\left(\mathrm{\&lambda;}\right)(S_1-S_0)}$    公式十

傅立叶红外光谱分析仪（1）对相同温度T下对参考黑体炉（2）进行测量时所得的输出光谱能量S_b(λ,T)为：

S_b=RG₁·I_b(T)+S₀   公式十一

同时，获得参考黑体炉（2）的I_b(λ,T)表达式为：

$I_b=(\mathrm{\&lambda;},T)=\frac{S_b-S_0}{G_{1}R}=\frac{S_b}{G_{1}R}-\frac{G_2}{G_1}{I}_0\left(T_0\right)$    公式十二

根据公式十和公式十二，获得不受噪声干扰的半透明试样法向光谱辐射率为：

$\mathrm{\&epsiv;}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\frac{I_s(\mathrm{\&lambda;},T)}{I_b(\mathrm{\&lambda;},T)}=\frac{S_3-S_0}{S_b-S_0}-\frac{(S_2-S_0)(S_4-S_3)}{(S_b-S_0)(S_1-S_0)}$    公式十三

其中，S₁,S₂,S₃,S₄,S_b为傅立叶光谱分析仪（1）探测出的信号值，S₀由公式六求得；

步骤二、打开入射光源（8），使用傅立叶红外光谱分析仪（1）采集光谱辐射信号数据记做S₁，其中包含：入射光源的实际光谱辐射信号S₁′和环境背景光谱辐射信号S₀；

步骤三、关闭入射光源（8），加热炉（4）加热到预定测试温度，保持温度稳定，使用傅立叶红外光谱分析仪（1）采集数据记做S₂，得到的数据包含：预定测试温度下炉腔内的光谱辐射信号S₂′和环境背景光谱辐射信号S₀；

步骤四、关闭入射光源（8），将半透明试件（11）置于加热炉（4）中，试样加热到预定测试温度，保持温度稳定，使用傅立叶红外光谱分析仪（1）采集数据记做S₃，得到的数据S₃包含：透过半透明试件（11）之后剩余的信号S₂′、半透明试件自身光谱辐射信号S_s′和环境背景光谱辐射信号S₀；

步骤五、打开入射光源（8），半透明试件（11）仍在加热炉（4）中，保持温度稳定，使用傅立叶红外光谱分析仪（1）采集数据记做S₄，其中包含：S₁′，S₂′透过半透明试件（11）之后剩余的信号、半透明试件（11）自身光谱辐射信号S_s′和环境背景光谱辐射信号S₀；

步骤六、将参考黑体炉（2）设定到预定测试温度达到稳定后，转动可旋转反射镜（3），使用傅立叶红外光谱分析仪（1）采集预定待测温度下参考黑体炉（2）的光谱辐射信号数据，并结合步骤二、步骤三、步骤四、步骤五中获得的预定待测温度下半透明试件（11）的辐射能量利用步骤一中所述的傅立叶红外光谱分析仪（1）的输入信号与输出信号间的响应函数，计算获得半透明试件（11）辐射率值，实现半透明试件（11）辐射率的测量。

3.根据权利要求2所述的一种基于能量法的半透明材料高温辐射率测量装置扣除背景辐射的修正方法，其特征在于所述的温度采集装置（6）为高温热电耦。

4.根据权利要求2所述的一种基于能量法的半透明材料高温辐射率测量装置扣除背景辐射的修正方法，其特征在于所述的加热器（5）为4根U型硅钼加热棒。

5.根据权利要求2所述的一种基于能量法的半透明材料高温辐射率测量装置扣除背景辐射的修正方法，其特征在于半透明试件（11）为圆形或矩形，所述圆形的直径为25～100mm，所述矩形的边长为25～100mm。

6.根据权利要求2所述的一种基于能量法的半透明材料高温辐射率测量装置扣除背景

辐射的修正方法，其特征在于半透明试件（11）的加热范围是300～1773K，待测光谱

波长范围是1.3-28μm。