CN102830064B - 一种中高温红外发射率测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中高温红外发射率测试装置，包括中红外反射率测试系统、样品加热控制系统以及微机数据处理系统；中高温红外反射率测试系统包括红外光源、干涉仪、中红外积分球、红外检测器、A/D转换器和液氮冷却装置；样品加热控制系统包括样品加热台以及依次连接的通讯转换器、温度控制器、可控硅调压器、样品加热器和指示灯，所述的温度控制器连接有精密热电偶；所述的微机数据处理系统用于输入设定参数以及数据的采集和处理。本装置简单方便，可实现材料在20-600℃中高温范围内红外发射率的准确、快速测量，有望应用于中高温太阳能光热涂层等关键开发领域。

Description

一种中高温红外发射率测试装置

技术领域

本发明涉及发射率测量技术领域，特别涉及一种中高温红外发射率测试装置。

背景技术

发射率是描述物体热辐射特性的重要参数，在航天航空、国防科学以及工农业生产等领域中均具有重要价值。以往发射率测量多采用如量热法、反射计法、辐射能量法和多波长测量法等，如：申请号为201010031343.6的中国专利申请中公开了一种粉体材料红外发射率的测试装置及其测试方法，该装置通过对待测样品和参考样品进行同样功率大小的加热，通过参考样品的红外发射率值和样品表面温度测量值，计算得到待测样品红外发射率。但这些方法或多或少都存在诸如测量精度低(＞5％)、测量光谱范围窄、测量温度范围上限低、在线测量精度和一致性差等问题。以中高温集热管涂层开发主流企业所用的Optosol吸收发射率测试仪为例，该设备发射率测试范围是8～14μm，温度范围200～400℃，单次测量时间约1小时，而目前高温集热管涂层正常使用温度高达550℃。

红外傅立叶光谱仪(FT-IR)先将光源发出的光用迈克尔逊干涉仪变成干涉光，再把照射样品后的各种频率光信号经干涉作用调制为干涉图函数，由计算机进行傅立叶变换一次性得到宽波长范围内的光谱信息。相对于传统光谱仪，FT-IR具有扫描时间短、信噪比高，入射辐射光通量大，灵敏度高以及光谱范围宽、杂质辐射低等优点。根据基尔霍夫定律，不透明物体的红外发射率ε(λ)＝1-R(λ)，其中R(λ)为物体在红外波段的全反射率，λ为波长。因此，理论上来说，在实现对红外全反射率快速、准确测量的前提下，可以构建基于FT-IR的宽光谱、高温度范围以及高测量精度的发射率测试系统。

基于此，利用FT-IR构建红外光谱发射率的测量设备及相关研究工作迅速向前推进。1992年，德国的Lindermeir等人利用FT-IR设计了发射率测量装置(Proc.SPIE 1682，354(1992))，装置中以黑色颜料作为绝对黑体，利用反射镜将加热样品表面的红外光线导入干涉仪，利用FT-IR配套检测器探测得到信号；由于采用InSb检测器，测量的波长范围仅为1.3～5.4μm，最大分辨率0.5cm，最高温度500K。为提高测量精度和光谱测量范围，1998年，Bauer等人在原棱镜式单色仪测量发射率装置基础上增加了利用FT-IR测量光谱发射率的部分(Proc.SPIE 6205，62050E(2006))，光谱仪内装有不同的分光镜(KBr、CaF₂及石英(quartz))和覆盖不同波段的传感器(Si-二极管(diode)、Ge-二极管及DTGS-检测器(detector))，其光谱发射率测试范围是0.4～25μm，温度范围100～1500℃，单次测量时间约1分钟，分辨率优于0.2μm，但该方法需要对样品通大电流，利用样品自身阻抗加热样品，故一般只能用来加热金属块体材料，适用范围有限。此外，宾夕法尼亚州立大学的Modest等人研制的FT-IR的光谱发射率测量装置(J.Heat Transfer，128，374(2006)，J.Quant.Spect.&Rad.Transfer，73，329(2002))，该装置光谱测量范围为1～20μm，温度上限可以达到1550℃；其独特之处在于光路中增加了一套气体测量附件，利用垂直中空的管式炉加热样品，在炉腔内套SiC圆筒作为黑体空腔，并设计有可重复快速下落运动的下落管；在测量样品红外信号时，通过分别测量空腔黑体和冷却下落管(隔绝黑体空腔热辐射)的热辐射信号，以此测量水蒸气和CO₂等气体的红外高温发射率。美国NIST研制的集成式热辐射性能测试系统(Proc.of SPIE，5405，285(2004))配有6个黑体辐射源(两个恒温黑体和4个变温黑体)和多组探测辐射计(FTIR或滤光片式辐射计)，并配有两组旋转反射镜，分别用于黑体源的选择和探测装置的选择；选用FT-IR和标准样品时，可以对材料的光谱发射率进行测试评价，该系统覆盖光谱范围1～20μm，测量温度范围为600～1400K，测试功能多，结构复杂，红外发射率测量主要对透明材料。

相比于国外开发的各具特色的光谱发射率测量系统，国内在高温发射率方面的研究较少。在国家自然科学基金支持下，哈尔滨工业大学的戴景民等人开发出一套基于FTIR光谱仪的高温发射率测试装置(Journal of Physics：Conference series 13，63(2005))，该装置主要由FTIR、试样加热炉、参考黑体炉及水浴屏组成，利用直角反射镜和KBr分光镜调整光路，并通过步进电机控制可旋转反射镜实现黑体炉和试样间的切换。由于同时使用HgCdTe光伏和硅光二极管探测器，可以实现60℃～1500℃温度范围和0.6μm～25μm光谱范围的光谱发射率测量，测量的不确定度优于3％，但该设备需要在同一温度下用同一探测器分别测量绝对黑体及样品的辐射功率，因而设备构造复杂，造价高。

发明内容

本发明所需要解决的技术问题是：如何实现材料，特别是薄膜、涂层材料在中高温范围内红外发射率的准确、快速测量。

为解决上述技术难题，本发明提供了一种基于傅立叶红外光谱仪的操作简便、能快速准确的测试红外发射率的中高温红外发射率测试装置。

一种中高温红外发射率测试装置，包括中红外反射率测试系统、样品加热控制系统以及微机数据处理系统；

所述的中红外反射率测试系统主要用于测量样品表面的反射率，包括红外光源、干涉仪、中红外积分球、红外检测器、A/D转换器和用于给红外检测器降温的液氮冷却装置；

所述的样品加热控制系统用于加热样品并控制样品温度，包括样品加热台以及依次连接的通讯转换器、温度控制器、可控硅调压器、样品加热器和指示灯，所述的温度控制器连接有精密热电偶，所述的精密热电偶临近样品加热台；所述的可控硅调压器、样品加热器和指示灯与电源连接构成回路；所述的样品加热器设置在样品加热台上，用于加热样品；

所述的微机数据处理系统主要用于输入设定参数以及数据的采集和处理，包括系统硬件和系统软件，所述的系统硬件包括微机，所述的系统软件安装在微机上，包括反射率测量模块、温度控制模块和发射率计算模块；所述的反射率测量模块用于处理中红外反射率测试系统的数据；温度控制模块用于控制温度控制器；发射率计算模块用于计算样品在任意温度下的中红外发射率值；

其中，所述的干涉仪位于红外光源的光路上，用于将红外光源发出的单光束红外光线转变为干涉光；

所述的样品加热台位于干涉仪发出的干涉光的光路上，用于使干涉光经过样品表面；干涉光经过样品表面后，某些频率的红外光被部分吸收，干涉光强度发生变化，样品表面产生镜面反射和漫反射光线；

所述的中红外积分球位于样品表面产生的镜面反射和漫反射光线的光路上，用于收集样品表面产生的镜面反射和漫反射光线并输出红外干涉信号；

所述的中红外积分球、红外检测器、A/D转换器及微机依次连接；红外检测器用于接收中红外积分球输出的红外干涉信号并将该红外干涉信号转换为电信号输出；A/D转换器用于将红外检测器输出的电信号调制放大后输出给微机数据处理系统进行后处理；

所述的通讯转换器与微机连接，实现温度控制模块对温度控制器的控制。

所述的微机数据处理系统，可将A/D转换器输出的信号进行傅立叶变化，得到反射率(光强)随波长或波数变化的红外光谱图，并最终计算得到待测样品在特定温度下的发射率ε(T₁)值。

本发明所述的光路是指光的传播路径，包括光传播中的折射、反射后的路线。

所述的液氮冷却装置的并没有严格要求，以能够给红外检测器降温为宜，可直接将液氮冷却装置置于红外检测器内部也可置于红外检测器外部。

可选的，所述的红外光源、干涉仪为红外傅立叶光谱仪通用配件，设置与红外傅立叶光谱仪中相同，中红外积分球、A/D转换器和红外检测器为现有技术产品，可以直接购买市售产品。所述的红外检测器优选碲镉汞(MCT)检测器，该检测器灵敏度较高，检测范围最大可为2μm-20μm，如果有需要，所述的红外检测器也可选用氘化三甘氨酸硫酸酯(DTGS)检测器，探测范围为2μm-40μm，但灵敏度较MCT检测器低。可根据检测范围和检测灵敏度的要求选择合适的红外检测器。

可选的，所述的温度控制器、通讯转换器、可控硅调压器、精密热电偶、样品加热器和指示灯为现有技术产品，可以直接购买市售产品。

所述的温度控制器通过通讯转换器读取微机数据处理系统中温度控制模块的样品设定温度值并获得精密热电偶反馈的样品实际温度值，同时通过可控硅调压器控制样品加热台中样品加热器的输出温度。所述的温度控制器优选多段温度控制器，更方便精确控制样品温度。

所述的样品加热器用于加热样品，可选用为陶瓷加热片，优选高温(最高可达600℃)陶瓷加热片，采用电阻加热，可在极短时间内将样品均匀加热至所需温度；陶瓷加热片的大小可根据积分球样品测试孔大小调整，优选面积为50mm×30mm的陶瓷加热片，使样品加热器面积大于中红外积分球检测孔(一般孔的直径为25.4mm)的面积，以保证加热温度的均匀性。

所述的样品加热器与中红外积分球最好隔开，以避免样品加热器的温度对中红外积分球造成影响，从装置结构紧凑性上考虑，优选样品加热器与中红外积分球之间采用隔热棉隔开。

可选的，所述的反射率测量模块为现有红外傅立叶光谱仪配套使用软件(如Thermo公司Omnic6.0软件)；温度控制模块配套温度控制器使用，也可以采用市售产品(如Shimax公司DataAcquisition软件)。

所述的微机数据处理系统的执行步骤包括：

(1)通过温度控制模块控制温度控制器，控制样品的温度；

(2)反射率测量模块根据中红外反射率测试系统的数据得出参考样品(如镀金标准片)在任意温度T₀(如室温)下的反射率R₀(λ，T₀)随波长变化曲线，作为环境的背景噪声参考值；

(3)反射率测量模块根据中红外反射率测试系统的数据得出待测样品在温度T₁下的中红外反射率R₁(λ，T₁)随波长变化曲线；

(4)通过发射率计算模块计算待测样品在温度T₁下的中红外发射率值，包括：根据公式I： $I_b(\mathrm{\λ},T_1)=\frac{2\mathrm{\πh}{c}^2}{{\mathrm{\λ}}^5[\exp \left(\frac{\mathrm{hc}}{{\mathrm{\λk}}_B{T}_1}\right)-1]},$ 输出温度为T₁的黑体辐射强度I_b(λ，T₁)随波长λ变化曲线，式I中，h为普朗克(plank)常数，k_B为玻耳兹曼(Boltzman)常量，c为光速；

根据公式II： $\mathrm{\ϵ}\left(T_1\right)=\frac{{\∫}_{2.5}^{20}{I}_b(\mathrm{\λ},T_1)\·(1-R_1(\mathrm{\λ},T_1)/R_0(\mathrm{\λ},T_0))\mathrm{d\λ}}{{\∫}_{2.5}^{20}{I}_b(\mathrm{\λ},T_1)\mathrm{d\λ}},$ 计算得到待测样品在温度T₁下的发射率ε(T₁)值。

本发明中高温红外发射率测试装置可用于检测材料样品的红外发射率，红外发射率是表征太阳能光热涂层性能的重要参数。

可选的，所述的指示灯的电路选用用于根据所述回路的电流控制指示灯呈现亮起、闪烁和熄灭三种指示状态的电路，可采用现有市售电路，也可自行设计；为了提高指示灯指示状态的精确性，优选的电路包括霍尔传感器电路、电压放大电路、电压比较电路、分频电路和电平转换电路，所述的霍尔传感器电路的输入端与所述回路中的电流输入端连接，霍尔传感器电路的电压输出端依次串联RC滤波器和第一耦合电容，第一耦合电容的输出端串联电压放大电路的电压输入端，电压放大电路的电压输出端串联第二耦合电容，第二耦合电容的输出端串联电压比较电路的输入端，电压比较电路的输出端串联分频电路的输入端，分频电路的输出端串联电平转换电路的输入端，且电压比较电路的输出端串联电平转换电路的输入端，电平转换电路的输出端串联指示灯后接地。

所述的霍尔传感器电路用于将电流信号转换为电压信号，包括霍尔电流传感器及外部连接电路。所述的霍尔电流传感器的模拟电压输出端脚作为霍尔传感器电路的电压输出端，信号地端脚串联电容后与电源正极连接，外接电容端脚串联电容后接地，电流输入端连接所述回路作为霍尔传感器电路的电压输入端。

所述的RC滤波器和第一耦合电容串联，用于除去霍尔传感器电路电压输出端输出的电压信号中的直流成分。所述的RC滤波器优选一阶低通RC滤波器。

所述的电压放大电路用于将霍尔传感器电路电压输出端输出的除去直流成分的电压信号放大，包括运算放大器及外部连接电路。所述的运算放大器的输入负端口串联电阻后作为电压放大电路的电压输入端，输出端口串联电阻后作为电压放大电路的电压输出端，标准电压连接分压电阻和限流电阻后接入运算放大器的输入正端口，信号地端脚接地，电源端脚与电源正极连接。

所述的串联电阻的电阻值用于决定电压放大倍数，分压电阻用于抬高静态工作点。可根据需要设定。

所述的第二耦合电容用于除去电压放大电路中的高频噪声。

所述的电压比较电路包括电压比较器、滤波电容、分压电阻、限流电阻和上拉电阻五部分及外部连接电路。所述的电压比较器的输入负端口作为电压比较电路的输入端，标准电压连接分压电阻和限流电阻后接入电压比较器的输入正端口，电源正极接电源，电源负极接地，输出端口连接上拉电阻后作为电压比较电路的电压输出端，上拉电阻与电源连接，电源连接两个并联的滤波电容后接地。电压比较电路的输入端的输入电压与电压比较器的输入正端口的电压比较，当输入端的输入电压高于输入正端口的电压时，显示为高电平，反之为低电平。分压电阻用于抬高静态工作点，上拉电阻用于稳定输出电平。

所述的分频电路用于对输入信号进行分频，包括前级分频电路和后级分频电路及外部连接电路。所述的前级分频电路包括第一分频计数器和第一上拉电阻；所述的后级分频电路包括第二分频计数器和第二上拉电阻；所述的第一分频计数器的时钟输入端引脚作为分频电路的输入端，第一分频计数器的计数输出端引脚连接第一上拉电阻后接入第二分频计数器的时钟输入端引脚，第二分频计数器的计数输出端端口连接第二上拉电阻后作为分频电路的输出端。其中，第一分频计数器的异步并行置入端、进位/借位输出端、计数控制端和电源正极引脚与第一上拉电阻一起接电源，计数控制端和信号地端脚一起接地；第二分频计数器的异步并行置入端、进位/借位输出端、计数控制端和电源正极引脚一起接电源，计数控制端和信号地端脚一起接地。所述的第一上拉电阻和第二上拉电阻使得输出电平稳定。

所述的电平转换电路用于电平转换，包括与非门电路、上拉电阻和分压限流电阻及外部连接电路。所述的与非门电路的输入端口作为电平转换电路的输入端分别与分频电路的输出端和电压比较电路的输出端连接，标准电压经上拉电阻后接入与非门电路输出端口，与非门电路的输出端口依次与分压限流电阻和所述指示灯连接后接地。其中，上拉电阻用于稳定输出电平；分压限流电阻用于给LED灯分压限流。由于当无电流信号时，与非门电路分频输出可能为高电平也可能为低电平，而电压比较器输出为低电平，故其需通过与或非门。从而实现无电流信号时，输出为低电平，指示灯熄灭(即不亮)。

所述的指示灯通过霍尔电流传感器与加热电路连接获取信号，当样品没有加热时，指示灯为熄灭状态；当样品加热时，指示灯开始闪烁。所述的指示灯可选用LED灯。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明中高温红外发射率测试装置通过配备中红外积分球的傅立叶红外光谱仪测量材料在不同温度下的反射率随波长变化曲线，根据基尔霍夫定律和黑体辐射定律基本原理测量材料的红外发射率，进而得到材料在中红外波段的高温发射率，因而具有操作方便，快速准确的特点。

采用本发明测试装置测试的方法不严格要求标准样品与待测样品温度一致，可在室温下测试标准样品，因而也不用加热标准样品，测试条件宽松；同时，采用中红外积分球来收集加热样品表面的红外信号，没有复杂的红外光路切换，能避免因待测样品对周围辐射的反射带来的误差，适合测试薄膜材料和涂层材料，尤其是太阳能中高温光热涂层，能够测量在不同温度(20℃-600℃)下的红外发射率和红外反射率随波长变化曲线，是一种较实用的测试方法。

本发明测试装置能够实现薄膜、涂层样品在20℃-600℃范围温度的快速变化，且温度能精确控制，能够测量薄膜、涂层样品在2.5μm-20μm波长范围内的反射率和发射率，且测试结果准确。

附图说明

图1为本发明中高温红外发射率测试装置的结构示意图；

图2为本发明样品加热控制系统的结构示意图；

图3为本发明指示灯的电路示意图；

图4为霍尔传感器电路的示意图；

图5为电压放大电路的示意图；

图6为电压比较电路的示意图；

图7为分频电路的示意图；

图8为电平转换电路与指示灯的示意图；

图9为样品的升温曲线；

图10为黑体辐射强度和待测样品中红外反射率随波长变化曲线。

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进行进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

如图1和图2所示，本发明中高温红外发射率测试装置，包括中红外反射率测试系统、样品加热控制系统以及微机数据处理系统。

中红外反射率测试系统主要用于测量样品表面的反射率，包括红外光源、干涉仪、中红外积分球、红外检测器、A/D转换器和用于给红外检测器降温的液氮冷却装置。

样品加热控制系统用于加热样品并控制样品温度，包括样品加热台6以及依次连接的通讯转换器2、温度控制器3、可控硅调压器4、样品加热器7和指示灯8，温度控制器3连接有精密热电偶5，精密热电偶5临近样品加热台6；可控硅调压器4、样品加热器7和指示灯8与电源连接构成回路；样品加热器7设置在样品加热台6上，用于加热样品；指示灯8显示样品加热台6的工作状态。

微机数据处理系统主要用于输入设定参数以及数据的采集和处理，包括系统硬件和系统软件；系统硬件包括微机(PC机)1；系统软件安装在微机1上，包括反射率测量模块、温度控制模块和发射率计算模块；反射率测量模块用于处理中红外反射率测试系统的数据；温度控制模块用于控制温度控制器；发射率计算模块用于计算样品在任意温度下的中红外发射率值。

干涉仪位于红外光源的光路上，用于将红外光源发出的单光束红外光线转变为干涉光。

样品加热台6位于干涉仪发出的干涉光的光路上，用于使干涉光经过样品表面；干涉光经过样品表面后，某些频率的红外光被部分吸收，干涉光强度发生变化，样品表面产生镜面反射和漫反射光线。

中红外积分球位于样品表面产生的镜面反射和漫反射光线的光路上，用于收集样品表面产生的镜面反射和漫反射光线并输出红外干涉信号。

红外检测器与A/D转换器、微机1依次连接；红外检测器用于接收中红外积分球输出的红外干涉信号并将该红外干涉信号转换为电信号输出；A/D转换器用于将红外检测器输出的电信号调制放大后输出给微机数据处理系统进行后处理。

红外光源、干涉仪为红外傅立叶光谱仪通用配件，设置与红外傅立叶光谱仪中相同，中红外积分球、A/D转换器和红外检测器为现有技术产品，可以直接购买市售产品。红外检测器为MCT检测器，该检测器灵敏度较高，检测范围最大可为2μm-20μm。

温度控制器3、通讯转换器2、可控硅调压器4、精密热电偶5、样品加热器7为现有技术产品，可以直接购买市售产品。温度控制器3采用多段温度控制器，如MAC3A温控仪，更方便精确控制样品温度。通讯转换器2采用RS485/232通讯转换器。样品加热器7采用最高可达600℃的高温陶瓷加热片，面积为50mm×30mm，采用电阻加热(阻值190～240Ω)。指示灯8采用LED灯。

温度控制器3通过通讯转换器4读取微机1数据处理系统中温度控制模块的样品设定温度值并获得精密热电偶5反馈的样品实际温度值，同时通过可控硅调压器4控制样品加热台6中样品加热器7的输出温度。

温度控制器3通过通讯转换器2与微机1进行连接通信。微机1通过温度控制模块向温度控制器3传输用户设定的温度值，并读取当前实际温度数据。温度控制器3将设定的温度值与精密热电偶5反馈的实际温度值进行比较，并通过PID算法输出电流信号控制可控硅调压器4的工作，可控硅调压器4开始时处于截止状态，当接收到温度控制器3输出的电流信号，就可以根据电流信号的大小，输出相应的电压控制样品加热器7加热样品；同时精密热电偶5(也可采用其他温度传感器)实时监控样品加热器7周围温度，当采集到的温度大于等于设定温度时，温度控制器3输出的电流减小到一定值，使样品加热器7产生的热量与散发到空气中的热量保持一个动态平衡，从而使其温度精确地保持在设定温度(忽略外界因素以及保持系统良好的情况下，样品加热器7周围温度为设定温度±1℃)。

样品加热器7与中红外积分球最好隔开，以避免样品加热器7的温度对中红外积分球造成影响，从装置结构紧凑性上考虑，样品加热器7与中红外积分球之间采用隔热棉隔开。

反射率测量模块为现有红外傅立叶光谱仪配套使用软件(如Thermo公司Omnic6.0软件)；温度控制模块配套温度控制器使用，也可以采用市售产品(如Shimax公司DataAcquisition软件)。

在实际使用时，微机数据处理系统的执行步骤包括：

(1)通过温度控制模块控制温度控制器，控制样品的温度；

(2)反射率测量模块根据中红外反射率测试系统的数据得出参考样品(如镀金标准片)在任意温度T₀(如室温)下的反射率R₀(λ，T₀)随波长变化曲线，作为环境的背景噪声参考值；

(3)在微机数据处理系统中设定测量温度T₁，反射率测量模块根据中红外反射率测试系统的数据得出待测样品在温度T₁下的中红外反射率R₁(λ，T₁)随波长变化曲线；

(4)在微机数据处理系统中输入温度数据T₁，通过发射率计算模块计算待测样品在温度T₁下的中红外发射率值，包括：根据公式I：输出温度为T₁的黑体辐射强度I_b(λ，T₁)随波长λ变化曲线，式I中，h为普朗克(plank)常数，k_B为玻耳兹曼(Boltzman)常量，c为光速；

将反射率数据R₀(λ，T₀)和R₁(λ，T₁)导入微机1，数据处理系统模块将输出样品在温度为T₁的中红外反射率随波长变化曲线，同时根据公式II： $\mathrm{\ϵ}\left(T_1\right)=\frac{{\∫}_{2.5}^{20}{I}_b(\mathrm{\λ},T_1)\·(1-R_1(\mathrm{\λ},T_1)/R_0(\mathrm{\λ},T_0))\mathrm{d\λ}}{{\∫}_{2.5}^{20}{I}_b(\mathrm{\λ},T_1)\mathrm{d\λ}},$ 计算得到待测样品在温度T₁下的发射率ε(T₁)值。

指示灯8的电路选用用于根据所述回路的电流控制指示灯呈现亮起、闪烁和熄灭三种指示状态的电路；为了提高指示灯指示状态的精确性，如图3-图8所示，选用自行设计的电路包括霍尔传感器电路、电压放大电路、电压比较电路、分频电路和电平转换电路，霍尔传感器电路的输入端与回路中的电流输入端Iin+以及电流输入端Iin-连接，霍尔传感器电路的电压输出端U₀依次串联RC滤波器和第一耦合电容C7，第一耦合电容C7的输出端串联电压放大电路的电压输入端U₁，电压放大电路的电压输出端U₂串联第二耦合电容C9，第二耦合电容C9的输出端U₃串联电压比较电路的输入端，电压比较电路的输出端U₄串联分频电路的输入端，分频电路的输出端U₅串联电平转换电路的输入端，且电压比较电路的输出端U₄串联电平转换电路的输入端，电平转换电路的输出端串联指示灯后接地。

RC滤波器和第一耦合电容C7串联，用于除去霍尔传感器电路电压输出端输出的电压信号中的直流成分。RC滤波器为一阶低通RC滤波器，由电阻R5和电容C6组成。

如图4所示，霍尔传感器电路用于将电流信号转换为电压信号，包括霍尔电流传感器ACS712及外部连接电路。霍尔电流传感器ACS712的模拟电压输出端VIOUT脚作为霍尔传感器电路的电压输出端U₀，信号地端GND脚串联电容C5(0.1uF)后与电源正极VCC连接，外接电容端FILTER脚串联电容C4(1nF)后接地，电流输入端Iin+及电流输入端Iin-连接回路作为霍尔传感器电路的电压输入端。

如图5所示，电压放大电路用于将霍尔传感器电路电压输出端U₀输出的除去直流成分的电压信号放大，包括运算放大器LM358及外部连接电路。运算放大器LM358的输入负端口IN1-串联电阻R6(1kΩ)后作为电压放大电路的电压输入端U₁，输出端口OUT串联电阻R6(1kΩ)和电阻R9(100kΩ)后作为电压放大电路的电压输出端U₂，标准电压VCC连接分压电阻R7(10kΩ)、分压电阻R8(10kΩ)和限流电阻R10(1kΩ)后接入运算放大器的输入正端口INi+，信号地端GND脚接地，电源端VCC脚与电源正极VCC连接。

如图6所示，电压比较电路包括电压比较器LM339、滤波电容、分压电阻、限流电阻和上拉电阻五部分及外部连接电路。电压比较器LM339的输入负端口IN2-作为电压比较电路的输入端，标准电压VCC连接分压电阻R11(10kΩ)、分压电阻R13(10kΩ)和限流电阻R12(1kΩ)后接入电压比较器LM339的输入正端口IN2+，电源正极VCC+接电源VCC，电源负极VCC-接地，输出端口OUT2连接上拉电阻R3(15kΩ)后作为电压比较电路的电压输出端U₄，上拉电阻R3(15kΩ)与电源VCC连接，电源VCC连接两个并联的滤波电容C1(10uF)和滤波电容C2(0.01uF)后接地。电压比较电路的输入端的输入电压与电压比较器LM339的输入正端口IN2+的电压比较，当输入端的输入电压高于输入正端口IN2+的电压时，显示为高电平，反之为低电平。分压电阻R13用于抬高静态工作点，上拉电阻R3用于稳定输出电平。

如图7所示，分频电路用于对输入信号进行分频，包括前级分频电路和后级分频电路及外部连接电路。前级分频电路包括第一分频计数器74LS191和第一上拉电阻R4(2kΩ)，后级分频电路包括第二分频计数器74LS191和第二上拉电阻R15(2kΩ)；第一分频计数器74LS191的时钟输入端CLK引脚作为分频电路的输入端，第一分频计数器74LS191的计数输出端QC引脚连接第一上拉电阻R4后接入第二分频计数器74LS191的时钟输入端CLK引脚，第二分频计数器74LS191的计数输出端QD端口连接第二上拉电阻R15后作为分频电路的输出端U₅。其中，第一分频计数器74LS191的异步并行置入端LOAD、进位/借位输出端ROC、计数控制端U/D和电源正极VCC引脚与第一上拉电阻R4一起接电源VCC，计数控制端CTEN、计数控制端U/D和信号地端GND脚一起接地；第二分频计数器74LS191的异步并行置入端LOAD、进位/借位输出端ROC、计数控制端U/D和电源正极VCC引脚一起接电源VCC，计数控制端CTEN、计数控制端U/D和信号地端GND脚一起接地。第一上拉电阻R4和第二上拉电阻R15使得输出电平稳定。

如图8所示，电平转换电路用于电平转换，包括与非门电路74LS00、上拉电阻R14(2kΩ)和分压限流电阻R16(330kΩ)及外部连接电路。与非门电路的输入端口IN1和IN2作为电平转换电路的输入端分别与分频电路的输出端U₅和电压比较电路的输出端U₄连接，标准电压VCC经上拉电阻R14后接入与非门电路74LS00的输出端口OUT34，与非门电路74LS00的输出端口OUT34依次与分压限流电阻R16和LED指示灯连接后接地。其中，上拉电阻R14用于稳定输出电平；分压限流电阻R16用于给LED指示灯分压限流。由于当无电流信号时，与非门电路74LS00分频输出可能为高电平也可能为低电平，而电压比较器LM339输出为低电平，故其需通过与或非门。从而实现无电流信号时，输出为低电平，指示灯熄灭(即不亮)。

指示灯通过霍尔电流传感器与加热电路连接获取信号，当样品没有加热时，指示灯为熄灭状态；当样品加热时，指示灯开始闪烁。

其中，ACS712为霍尔电流传感器，将电流信号转换成电压信号；LM358为运算放大器，用于将前级产生的电压信号放大；LM339电压比较器，将放大后的信号与前级信号比较；分频计数器74LS191用于对输入信号进行分频；74LS00用于电平转换。电流由Iin+和Iin-端输入，VCC接5V，输出电压为Uo＝2.5±0.185×Iin(V)。当输入为50Hz交流电流时，输出为沿2.5V震荡的50Hz交流电压。霍尔传感器后连接RC滤波器，接第一耦合电容C7(除去直流成分)后作为放大器电压输入U1。为了提高检测的精度，放大器增益为40dB。电压放大后输出为U2。电阻R6＝1kΩ，电阻R9＝100kΩ，所以放大倍数约为R9/R1＝100倍，R7，R8为分压电阻，用于抬高静态工作点。R10为限流电阻。连接第二耦合电容C9后，连接电压比较器LM339负端，正端为2.5V，即输入电压与2.5V比较，大于2.5V输出U₄为高电平，反正为低电平。电容C1、电容C2为滤波电容，滤除电源的噪声。电阻R11、R13为分压电阻，用于抬高静态工作点。R12为限流电阻。R3为上拉电阻，用于稳定输出电平。输入为50Hz正弦波时，输出为50Hz的脉冲信号。由于50Hz输出给LED供电时，人眼无法观察到LCD闪烁，所以需要对其进行分频。分频电路由两块71LS191组成，前级分频电路为4分频，后级分频电路为8分频，所以总计为32分频。R4和R15为上拉电阻，使得输出电平稳定。第一分频计数器74LS191的计数输出端QC引脚输出接第二分频计数器的时钟输入端CLK引脚输入。电压比较电路的输出端U₄即为比较器输出电压为50Hz脉冲信号，分频电路的输出端U₅为1.5625Hz的脉冲信号。由于当无电流信号时，分频计数器74LS191分频输出可能为高电平也可能为低电平，而电压比较器输出为低电平，故电流经分频电路后，连接与非门电路74LS00。R14为上拉电阻，用于稳定输出电平。R16为分压限流电阻，由于与非门电路74LS00的输出端口OUT34引脚输出为5V，而LED指示灯的工作电压一般为1.9～2.3V，故需接分压限流电阻R16进行分压限流。即实现无电流信号时，输出为低电平，指示灯不亮。

实施例2

厚度为0.2mm、面积为40mm×40mm的镀膜Cu片样品在200℃时的红外发射率测试。

第一步中高温红外发射率测试装置的组装

按实施例1中图1-图8安装并连接其中全部部件，组成中高温红外发射率测试装置，以备下述步骤使用；

第二步中高温红外发射率测试装置的使用

1)打开微机数据处理系统，利用中红外反射率测试系统来测量参考样品(如镀金标准片)在某一温度下T₀(如室温)的反射率R₀(λ，T₀)，以此作为环境的背景噪声参考值；

2)将待测样品放在样品加热台固定，对准积分球测试孔，在微机数据处理系统中设定测量温度T₁(本实施例中为200℃)，样品加热控制系统指示灯开始闪烁，加热待测样品至所需温度T₁；其升温曲线如图9所示，其中横坐标为时间(Time)，纵坐标为温度(Temperature)。

3)通过中红外反射率测试系统得到样品(即待测样品)在该温度T₁下的反射率数据R₁(λ，T₁)，并对测量时特定波长(如水蒸汽、CO₂吸收谱带)的反射率数据进行修正；

4)在发射率计算模块中的“T(℃）”框中输入温度数据T₁(本实施例中为200℃），点击“运行黑体辐射”，发射率计算模块将根据公式：输出温度为T₁的黑体辐射强度I_b(λ，T₁)随波长变化曲线，式中，h为plank常数，k_B为Boltzman常量，c为光速；

5)在发射率计算模块中导入数据R₀(λ，T₀)和R₁(λ，T₁)，点击“发射率”，发射率计算模块将输出样品在温度为T₁的中红外反射率R₁(λ，T₁)随波长变化曲线，同时根据公式： $\mathrm{\ϵ}\left(T_1\right)=\frac{{\∫}_{2.5}^{20}{I}_b(\mathrm{\λ},T_1)\·(1-R_1(\mathrm{\λ},T_1)/R_0(\mathrm{\λ},T_1))\mathrm{d\λ}}{{\∫}_{2.5}^{20}{I}_b(\mathrm{\λ},T_1)\mathrm{d\λ}},$ 计算得到样品在该温度下的发射率值ε(T₁)。

6)点击发射率计算模块中的“保存图片”按键，测试图片将自动保存，结果如图10所示。其中，横坐标为波长，单位为μm；纵坐标为反射率，单位为100％。图10中，点划线为温度为T₁(图中为200℃)的黑体辐射强度I_b(λ，T₁)随波长变化曲线，实线为样品在温度为T₁的中红外反射率R₁(λ，T₁)随波长变化曲线，得到的红外发射率ε＝0.06373(T₁＝200℃)。该测试值与镀膜Cu片样品在200℃时的红外发射率值相符。

从图9和图10可看出，本发明装置得到的样品升温曲线、温度为T₁(图中为200℃)的黑体辐射强度I_b(λ，T₁)随波长变化曲线和样品在温度为T₁的中红外反射率R₁(λ，T₁)随波长变化曲线为连贯的曲线，明显优于现有技术中得到的根据几个坐标点连接而成的曲线，更能保证检测结果的准确性。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种中高温红外发射率测试装置，其特征在于，包括中红外反射率测试系统、样品加热控制系统以及微机数据处理系统；

所述的中红外反射率测试系统包括红外光源、干涉仪、中红外积分球、红外检测器、A/D转换器和用于给红外检测器降温的液氮冷却装置；

所述的样品加热控制系统包括样品加热台以及依次连接的通讯转换器、温度控制器、可控硅调压器、样品加热器和指示灯，所述的温度控制器连接有精密热电偶，所述的精密热电偶临近样品加热台；所述的可控硅调压器、样品加热器和指示灯与电源连接构成回路；所述的样品加热器设置在样品加热台上；

所述的微机数据处理系统包括系统硬件和系统软件，所述的系统硬件包括微机，所述的系统软件安装在微机上，包括反射率测量模块、温度控制模块和发射率计算模块；所述的反射率测量模块用于处理中红外反射率测试系统的数据；温度控制模块用于控制温度控制器；发射率计算模块用于计算样品在任意温度下的中红外发射率值；

其中，所述的干涉仪位于红外光源的光路上；所述的样品加热台位于干涉仪发出的干涉光的光路上；所述的中红外积分球位于样品表面产生的镜面反射和漫反射光线的光路上；所述的中红外积分球、红外检测器、A/D转换器及微机依次连接；所述的通讯转换器与微机连接；

所述的微机数据处理系统的执行步骤包括：

(1)通过温度控制模块控制温度控制器，控制样品的温度；

(2)反射率测量模块根据中红外反射率测试系统的数据得出参考样品在任意温度T₀下的反射率R₀(λ,T₀)随波长变化曲线，作为环境的背景噪声参考值；

(3)反射率测量模块根据中红外反射率测试系统的数据得出待测样品在温度T₁下的中红外反射率R₁(λ,T₁)随波长变化曲线；

(4)通过发射率计算模块计算待测样品在温度T₁下的中红外发射率值，包括：根据公式Ⅰ：输出温度为T₁的黑体辐射强度I_b(λ,T₁)随波长λ变化曲线，式Ⅰ中，h为普朗克常数，k_B为玻耳兹曼常量，c为光速；

根据公式Ⅱ： $\mathrm{\ϵ}\left(T_1\right)=\frac{{\∫}_{2.5}^{20}{I}_b(\mathrm{\λ},T_1)\·(1-R_1(\mathrm{\λ},T_1)/R_0(\mathrm{\λ},T_0))\mathrm{d\λ}}{{\∫}_{2.5}^{20}{I}_b(\mathrm{\λ},T_1)\mathrm{d\λ}},$ 计算得到待测样品在温度T₁下的发射率ε(T₁)值。

2.如权利要求1所述的中高温红外发射率测试装置，其特征在于，所述的红外检测器为碲镉汞检测器。

3.如权利要求1所述的中高温红外发射率测试装置，其特征在于，所述的样品加热器为陶瓷加热片。

4.如权利要求1或3所述的中高温红外发射率测试装置，其特征在于，所述的样品加热器为最高温度至600℃的高温陶瓷加热片。

5.如权利要求1或3所述的中高温红外发射率测试装置，其特征在于，所述的样品加热器的面积为50mm×30mm。

6.如权利要求1所述的中高温红外发射率测试装置，其特征在于，所述的样品加热器与中红外积分球之间采用隔热棉隔开。

7.如权利要求1所述的中高温红外发射率测试装置，其特征在于，所述的指示灯的电路包括霍尔传感器电路、电压放大电路、电压比较电路、分频电路和电平转换电路，所述的霍尔传感器电路的输入端与所述回路中的电流输入端连接，霍尔传感器电路的电压输出端依次串联RC滤波器和第一耦合电容，第一耦合电容的输出端串联电压放大电路的电压输入端，电压放大电路的电压输出端串联第二耦合电容，第二耦合电容的输出端串联电压比较电路的输入端，电压比较电路的输出端串联分频电路的输入端，分频电路的输出端串联电平转换电路的输入端，且电压比较电路的输出端串联电平转换电路的输入端，电平转换电路的输出端串联指示灯后接地。