CN102928343A - 高温材料发射率测量方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高温材料发射率测量方法和系统，其中所述系统包括大功率辐射源、扩束整形均束装置、真空仓、样品测试平台、旋转反射镜、显微成像装置、光谱切换装置、辐射能量成像测量装置、温度测量装置。本发明通过在被测样品上加工出黑体空腔，并用成像方法对被测材料表面和黑体空腔的辐射能量同时测量，采用窄带滤光片进行光谱选择，不仅能够保证被测材料和标准参考样品测量的同时性，也能够保证样品和参考源的完全等温，能够显著减少发射率测量的误差来源，提高测量准确度和测试的便利程度，有利于本发明的工程化应用。

Description

高温材料发射率测量方法和系统

技术领域

本发明属于材料热物性参数测量技术领域，更具体地涉及一种利用能量比较法进行材料高温下发射率测量的方法。

背景技术

目前在高温材料发射率研究领域，多采用大电流通电加热的方式，不适用于复合材料、高温陶瓷等导电性能不佳的材料发射率测量，且温度测量上限难以在保证样品表面较好的温场均匀性的同时达到2000K以上的温度。在测量方法上采用测量绝对能量的量热法、在标准参考黑体和被测样品间切换测量的能量比较法等。量热法测量误差来源多，实现精确测量对设备要求高。利用标准参考黑体切换测量的能量比较法难以保证两次测量的同步性，在样品温度不稳定时将带来较大的测量误差。

为此，本发明提出了一种新的高温材料发射率测量方法，以及用于实现该方法的系统。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种高温材料发射率测量方法，能够方便地测量被测材料高温下的全波段发射率和光谱发射率。

本发明的第二个目的是提供一种高温材料发射率测量系统，以实现上述方法。

根据本发明的第一个目的，高温材料发射率测量方法包括以下步骤：

步骤1：将被测样品加工成圆柱形，并在圆柱一侧端面开孔，孔的几何尺寸满足形成黑体空腔效应条件；

步骤2：将被测样品竖直置于真空仓中固定，开孔的一端朝上，使被测样品在测试过程中始终保持在水平面内匀速转动；

步骤3：利用辐射能量对真空仓中的被测样品进行加热，将样品逐渐加热至所需的温度并保持；

步骤4：将被测样品顶部圆端面的红外辐射能量反射到显微成像装置中，通过成像测量装置对被测样品顶端表面及其上的黑体空腔进行成像；

步骤5：对被测样品及黑体空腔的辐射能量进行红外图像采集，将红外图像中每个像素点的灰度值代入数学模型计算出被测样品每个空间点的红外辐射能量；

步骤6：将红外图像中的材料表面辐射能量与黑体空腔辐射能量相比，计算出被测材料在当前测量波长下的发射率。

进一步地，上述方法还可以包括步骤7：将不同透过特性的窄带滤光片切入到成像光学系统中，重复步骤5到6，即可测得在当前温度下不同波长下的材料光谱发射率。

进一步地，上述方法还可以包括步骤8：改变步骤3中被测样品的温度，重复步骤4到6，即可测得不同温度下的材料光谱发射率。

通过应用该方法，采用整体式的能量比较法进行样品材料的高温发射率测量，简化了操作过程，同时减少了测量不确定度来源，且将传统的只适用于导电材料的大电流加热方法改进为适用于各种材料的辐射加热方式，拓展了高温材料发射率测量技术的应用领域。

根据本发明的第二个目的，高温材料发射率测量系统包括真空仓、样品测试平台、大功率辐射源、扩束整形均束装置、旋转反射镜、成像测量装置、温度测量装置。其中：

所述真空仓一侧设有允许辐射能量入射的窗口，与入射窗口垂直的另一侧设有允许辐射能量出射的测试窗口。

所述样品测试平台位于真空仓内，用于固定被测样品，并且可以在水平面内转动被测样品。样品测试平台可采用耐高温、低导热的材料做夹具固定被测样品，在保证固定可靠的前提下使夹具和被测材料的接触面积尽可能小，这样可以保证较少的热传导损耗，也有利于提供样品表面的温场均匀性。样品测试平台还可以根据需要在水平和垂直两个方向微调，在测试时沿垂直方向转动，转动速度可调。

所述大功率辐射源用于向真空仓内的被测样品发射辐射加热能量。

所述扩束整形均束装置用于对大功率辐射源出射的热量整形，使能量束刚好覆盖被测样品投影面积，且在空间上强度分布均匀；这样不仅能够对导电和非导电材料都能加热，且样品温升快，表面温度梯度小。

所述旋转反射镜用于反射被测样品的红外辐射能量。旋转反射镜放置在测试窗口出口处，允许在真空仓周围不同方向放置不同波段的辐射能量采集系统。通过旋转反射镜旋转不同的角度将目标辐射能量入射到不同的辐射能量采集系统中。

所述成像测量装置具有红外焦平面阵列，用于接收被测样品的红外辐射能量，形成红外测试图像。成像测量装置采用红外焦平面阵列接收样品的红外辐射能量，形成红外测试图像。可以从每个像素点的灰度信息按照数学模型计算出样品空间上对应点的辐射能量信息。

所述温度测量装置用于检测样品加热过程中的温度，并反馈到大功率辐射源以调整其输出功率，控制样品温度。

进一步地，所述系统还可以包括显微成像装置，所述显微成像装置用于接收旋转反射镜反射的被测样品的红外辐射能量，并对被测样品进行放大后成像至成像测量装置。显微成像装置按照样品尺寸和真空仓测试窗口尺寸设计，并与辐射能量采集系统的光学系统口径相匹配，能够对相对较小的样品和其上的黑体空腔进行放大后成像，使采集到的红外测试图像具有较高的空间分辨率。

进一步地，所述系统还可以包括光谱切换装置，所述光谱切换装置用于在显微成像装置和成像测量装置之间的光路中切入不同透过特性的窄带滤光片。光谱切换装置可以根据测量需求在测试光路中切入不同透过特性的窄带滤光片，其中心波长和带宽都可以根据测试需求方便地更换。

本发明通过在被测样品上加工出黑体空腔，并用成像方法对被测材料表面和黑体空腔的辐射能量同时测量，不仅能够保证被测材料和标准参考样品测量的同时性，也能够保证样品和参考源的完全等温，能够显著减少发射率测量的误差来源，提高测量准确度和测试的便利程度，有利于本发明的工程化应用。

附图说明

图1为本发明的发射率测量流程图；

图2为本发明材料高温发射率测量系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的最佳实施例作进一步描述：

图1所示为材料高温发射率成像光谱测量流程图。整个测试过程可以分为以下几个步骤：

步骤1，在被测样品上加工黑体空腔。首先将被测样品加工成圆柱形，并在圆柱一侧端面开孔，孔的几何尺寸满足形成黑体空腔效应条件。

步骤2，在真空环境中旋转样品。将被测样品竖直置于真空仓中固定，开孔的一端朝上，使被测样品在测试过程中始终保持在水平面内匀速转动。

步骤3，辐射加热样品。利用辐射能量对真空仓中的被测样品进行辐射，将样品逐渐加热至所需的温度并保持稳定。

步骤4，采集样品的辐射能量。将被测样品顶部圆端面的红外辐射能量反射到显微成像装置中，通过成像测量装置对被测样品顶端表面及其上的黑体空腔进行成像。

步骤5，样品及其黑体空腔成像。对被测样品及其黑体空腔的辐射能量进行红外图像采集，将红外图像中每个像素点的灰度值代入数学模型计算出被测样品每个空间点的红外辐射能量。

步骤6，计算样品在当前波长下的发射率。将红外图像中的材料表面辐射能量与黑体空腔辐射能量相比，计算出被测材料在当前测量波长下的发射率。

图2所示的高温材料发射率测量系统可用于实现上述方法。该系统包括：大功率辐射源、扩束整形均束装置、真空仓、样品测试平台、旋转反射镜、红外显微镜头、滤光片轮、成像辐射计、辐射测温仪和终端控制计算机。其中，真空仓和样品测试平台共同组成了图中所示的真空测试系统。

其中，大功率辐射源可采用大功率的激光器，输出功率连续可调。使用扩束整形均束装置将激光器输出的线偏振光转为圆偏振光，均束整形后光斑为长条形，几何尺寸可以根据样品尺寸微调，光斑强度分布均匀。经真空仓的光学窗口入射到样品表面。

真空仓内壁涂黑，采用水循环或液氮制冷，为测试提供低温冷背景。样品测试平台置于真空仓内，能够根据辐射源的能量空间分布和测试需要作水平和垂直的两周调整，且在测试时能够在水平面内匀速转动，使得入射能量均匀入射到样品的表面，能够提供较好的温场分布均匀性。样品测试平台采用耐高温、低导热的材料做夹具固定被测样品，在保证固定可靠的前提下使夹具和被测材料的接触面积尽可能小，这样可以保证较少的热传导损耗，也有利于提供样品表面的温场均匀性。

旋转反射镜和红外显微镜头共同组成了红外成像系统。红外显微镜头按照样品尺寸和真空仓测试窗口尺寸设计，并与辐射能量采集系统的光学镜头口径相匹配，能够对相对较小的样品和其上的黑体空腔进行放大后成像，使采集到的红外测试图像具有较高的空间分辨率。旋转反射镜放置在测试窗口出口处，允许在真空仓周围不同方向放置不同波段的辐射能量采集系统。通过旋转反射镜旋转不同的角度将目标辐射能量入射到不同的辐射能量采集系统中。

滤光片轮可以根据测量需求在测试光路中切入不同透过特性的滤光片，其中心波长和带宽都可以根据测试需求方便地更换。

辐射能量成像测量装置采用红外焦平面阵列接收样品的红外辐射能量，形成红外测试图像。可以从每个像素点的灰度信息按照数学模型计算出样品空间上对应点的辐射能量信息。

辐射测温仪监测样品加热过程中的温度，并反馈到均匀加热系统以调整输出功率，这样形成闭环反馈系统，控制样品温度。

终端控制计算机采集整个系统中各部件的运行参数、测量结果等，远传至隔离的中央控制室，操作人员可以在远端安全环境下进行设备的运行操作控制、数据采集及测量结果计算输出。

以下通过本发明的另一实施例，综合说明本发明的高温材料发射率测量方法和系统实现过程。

首先，将样品加工为圆柱形，并在一侧圆端面上开有可以等效为黑体的空腔。在测试时，将样品开有空腔的一侧圆端面垂直向上置于真空仓中的样品测试平台上固定。

将真空仓抽真空，开启水冷循环系统。

开启大功率激光器，同时开启样品测试平台，使样品在水平面内旋转。逐渐提升激光器的加热功率，并根据温度测量装置反馈的测量结果调整输出功率，最终使样品温度稳定在目标温度下。

通过调整反射镜位置，将被测样品的辐射能量入射到对应的红外显微镜头中。

调整与红外显微镜头配合安装的滤光片轮，将不同中心波长的滤光片切入到光路中。

采用成像辐射计同时采集样品和黑体空腔的红外辐射图像。

对采集到的红外图像各像素点进行分析，剔除材料与黑体空腔交界处的模糊像素点后，根据数学模型分别计算出被测材料和标准参考源的辐射能量，相比得到被测材料在某一温度下的发射率。

可多此重复采集红外辐射图像并计算，取多次测量的平均值作为特定温度、特定光谱段下的发射率测量结果。

利用不同波长的成像测量装置，在各种波长下，可以得到不同光谱段下的被测材料发射率。

调整激光器的输出功率，将样品加热至不同的温度，可以得到不同温度下不同光谱段下的被测材料发射率。

尽管已参照优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围并不局限于这些具体实施方式，在不偏离本发明的基本原理的情况下，可以对所述实施方式以及其中的具体技术特征一例如各个模块进行拆分、组合或改变，拆分、组合或改变后的技术方案仍将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高温材料发射率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将被测样品加工成圆柱形，并在圆柱一侧端面开孔，孔的几何尺寸满足形成黑体空腔效应条件；

步骤2：将被测样品竖直置于真空仓中固定，开孔的一端朝上，使被测样品在测试过程中始终保持在水平面内匀速转动；

步骤3：利用辐射能量对真空仓中的被测样品进行辐射，将样品逐渐加热至所需的温度并保持；

步骤4：将被测样品顶部圆端面的红外辐射能量反射到显微成像装置中，通过成像测量装置对被测样品顶端表面及其上的黑体空腔进行成像；

步骤5：对被测样品及其黑体空腔的辐射能量进行红外图像采集，将红外图像中每个像素点的灰度值代入数学模型计算出被测样品每个空间点的红外辐射能量；

步骤6：将红外图像中的材料表面辐射能量与黑体空腔辐射能量相比，计算出被测材料在当前测量波长下的发射率。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

步骤7：将不同透过特性的滤光片切入到成像光学系统中，重复步骤5到6，计算在当前温度下不同波长下的材料光谱发射率。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

步骤8：改变步骤3中被测样品的温度，重复步骤4到6，计算不同温度下的材料光谱发射率。

4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，步骤6中被测样品的表面辐射能量是指整个表面的辐射能量的平均值，所述黑体空腔的辐射值是指黑体空腔辐射值的平均值。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述真空仓的仓壁通过水循环或液氮方式制冷，为测试提供低温冷背景。

6.一种高温材料发射率测量系统，其特征在于，包括：

真空仓，所述真空仓一侧设有允许辐射能量入射的窗口，与入射窗口垂直的另一侧设有允许辐射能量出射的测试窗口；

位于真空仓内的样品测试平台，所述样品测试平台用于固定被测样品，并且可以在水平面内转动被测样品；

大功率辐射源，用于向真空仓内的被测样品发射辐射加热能量；

扩束整形均束装置，用于对大功率辐射源出射的热量整形，使能量束刚好覆盖被测样品投影面积，且在空间上强度分布均匀；

位于真空仓测试窗口出口处的旋转反射镜，用于反射被测样品的红外辐射能量；

成像测量装置，具有红外焦平面阵列，用于接收被测样品的红外辐射能量，形成红外测试图像；

温度测量装置，用于检测样品加热过程中的温度，并反馈到大功率辐射源以调整其输出功率，控制样品温度。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括显微成像装置，所述显微成像装置用于接收旋转反射镜反射的被测样品的红外辐射能量，并对被测样品进行放大后成像至成像测量装置。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括光谱切换装置，所述光谱切换装置用于在显微成像装置和成像测量装置之间的光路中切入不同透过特性的滤光片。

9.如权利要求6-8任一项所述的系统，其特征在于，所述真空仓的仓壁通过水循环或液氮方式制冷，为测试提供低温冷背景。

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