CN103234917B - 一种冲击温度及光谱发射率的实时测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种冲击温度及光谱发射率的实时测量系统，所述的测量系统中的连续激光器的输出激光经高速声光调制器调制成能量比值恒定的双脉冲激光，分别在冲击波到达被测样品表面时刻的前后照射在被测样品表面上，同时与被测样品因冲击而产生的热辐射光信号一起被双光纤探头接收，由多通道辐射高温计进行探测。通过测量双脉冲激光信号幅度的变化及热辐射光信号幅度，可同时计算得到被测样品的光谱发射率及冲击温度。本发明中的光信号全部在光纤中传输，便于复杂环境中测量，连续激光器输出功率可连续独立调节，双脉冲激光时间响应快，能够实时反映冲击前后被测样品表面反射率的变化情况，适用于不同温度范围内的光谱发射率及冲击温度的测量。
Description
技术领域
本发明属于辐射法测温装置技术领域，具体涉及一种冲击温度及光谱发射率的实时测量系统，尤其是具备冲击加载条件下金属样品的光谱发射率和真实温度的实时测量。
背景技术
在冲击波物理和爆轰物理研究中，常采用辐射光谱法测量冲击压缩条件下材料的温度，基本原理是基于Planck（普朗克）灰体模型，假设被测材料的光谱发射率与测量波长无关。然而冲击条件下材料的热辐射并不一定满足灰体模型假说，其发射率可随波长变化，仅通过测量材料的光谱辐亮度是不能得到材料的真实温度，只有知道材料的发射率, 才可求得真实温度。目前测量冲击条件下材料的光谱发射率一般是通过测量冲击条件下材料的反射率，再根据Kirchhoff（基尔霍夫）定律得出材料的发射率。通常采用激光偏振法、积分球反射法和光谱反射法等。激光偏振法只能测量光滑表面材料的发射率，且只能测量单一波长处的发射率，不能得到发射率随波长的变化关系。积分球反射法因光信号在积分球内多次反射，能量损失较大限制了该方法的广泛应用。而一般的光谱反射法则因为脉冲光源时间响应慢，且光谱成份不均匀，要实现反射光脉冲与材料受冲击产生的高温辐射光信号脉冲间的时间同步及幅度匹配非常困难，使其测温范围受到较大限制。综上所述，目前冲击条件下的光谱发射率及冲击温度的测量技术还存在不足，难以实现宽温度范围的光谱发射率及冲击温度的实时测量要求。
发明内容
为了克服现有技术中测量系统中光源时间响应慢、光谱成份不均匀的不足，本发明提供一种冲击温度及光谱发射率的实时测量系统，本发明的测量系统时间响应快，各测试波长的反射光信号能量能够独立调节，能够方便的定出冲击前后材料表面的反射率变化。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明的一种冲击温度及光谱发射率的实时测量系统，其特点是，所述的实时测量系统中含有数个不同波长的连续激光器、用于将连续激光器的输出激光调制成能量比值恒定的兆赫重复频率的双脉冲激光的数个高速声光调制器、光纤合束器、双光纤探头、多通道辐射高温计、数字示波器。连续激光器分别通过光纤与对应的高速声光调制器连接，高速声光调制器通过光纤分别与光纤合束器的每一个输入端口连接，光纤合束器的输出端口与双光纤探头中的一支光纤相连用于将脉冲激光准直并照射被测样品表面，双光纤探头中的另一支光纤用于收集被测样品表面反射的激光脉冲和被测样品冲击后的高温热辐射信号光，并与多通道辐射高温计连接，进行光电转换。多通道辐射高温计的电信号输出端与外围设备中的数字示波器连接。
所述的多通道辐射高温计的测试波长包含连续激光器的工作波长。
所述的连续激光器的数量大于2。
所述的高速声光调制器数量、连续激光器数量、光纤合束器（5）输入端的光纤数量对应设置。
本发明中的连续激光器输出激光功率可根据实验需求进行独立调节，且输出激光经高速声光调制器调制成能量比值恒定的兆赫重复频率的双脉冲激光，前脉冲激光在冲击波到达被测样品表面之前照射在被测样品表面上，后脉冲激光在冲击波到达被测样品表面时刻照射在被测样品表面上，同时后脉冲激光与因冲击波到达被测样品表面时产生的热辐射光信号叠加。
本发明中的多通道辐射高温计用于接收被测样品表面反射的双脉冲激光信号及因冲击波到达被测样品表面而产生的热辐射光信号。被测样品表面反射的双脉冲激光信号中的前反射脉冲激光信号对应于被测样品表面冲击之前的状态，被测样品表面反射的双脉冲激光信号中的后反射脉冲激光信号对应于被测样品表面冲击后的状态。由冲击前后被测样品表面反射的双脉冲激光信号的幅度值及热辐射光信号幅度值，根据能量守恒定律、Kirchhoff定律和Planck定律进行数据处理即可求出被测样品的光谱发射率及冲击温度。
本发明的有益效果是，光信号全部在光纤中传输，便于复杂环境中测量。连续激光器输出功率可连续独立调节，双脉冲激光时间响应快，能够实时反映冲击前后被测样品表面反射率的变化情况，适用于不同温度范围内的光谱发射率及冲击温度的测量。
附图说明
图1为本发明的光谱发射率及冲击温度实时测量系统的结构示意图；
图中，1.第一连续激光器 2.第二连续激光器 3.第一高速声光调制器 4. 第二高速声光调制器 5.光纤合束器 6.双光纤探头 7.被测样品 8.多通道辐射高温计 9.数字示波器。
具体实施方式
下面根据附图对本发明作进一步描述。
实施例1
图1为本发明的光谱发射率及冲击温度实时测量系统的结构示意图，如图1所示，本发明的冲击温度及光谱发射率的实时测量系统，含有n个不同波长的连续激光器、用于将连续激光器的输出激光调制成能量比值恒定的兆赫重复频率的双脉冲激光的m个高速声光调制器、光纤合束器5、双光纤探头6、多通道辐射高温计8、数字示波器9；连续激光器分别通过光纤与对应的高速声光调制器连接，高速声光调制器通过光纤分别与光纤合束器5的每一个输入端口连接，光纤合束器5的输出端口与双光纤探头6中的一支光纤相连用于将脉冲激光准直并照射被测样品7表面，双光纤探头6中的另一支光纤用于收集被测样品表面反射的激光脉冲和被测样品7冲击后的高温热辐射信号光，并与多通道辐射高温计8连接；多通道辐射高温计8的电信号输出端与外围设备中的数字示波器9连接。
所述的多通道辐射高温计8的测试波长包含连续激光器的工作波长。
所述的连续激光器的数量大于2。
所述的高速声光调制器数量、连续激光器数量、光纤合束器5输入端的光纤数量对应设置。
本实施例中，连续激光器设置数量为三个，第一连续激光器1、第二连续激光器2是其中两个。高速声光调制器设置数量为三个，第一高速声光调制器3、第二高速声光调制器4是其中两个。所述的光纤合束器5的输入端为多根光纤端口输入、单根光纤端口输出的合束器，光纤合束器5的输入端的光纤数量为三个。
本发明中的连续激光器、高速声光调制器、光纤合束器、双光纤探头和多通道辐射高温计之间通过光纤连接，光纤之间通过光纤法兰盘连接，多同辐射高温计与数字示波器之间通过电缆连接。连续激光器、高速声光调制器、光纤合束器的输入端口依次连接，光纤合束器的输出端与双光纤探头中用于将调制的双脉冲激光传输至被测样品表面的一支光纤连接，双光纤探头中用于接收被测样品表面反射的脉冲激光信号及冲击热辐射光信号的另一支光纤与多通道辐射高温计连接，多通道辐射高温计的信号输出端与外围设备中的数字示波器连接。
所述的连续激光器输出激光经高速声光调制器调制成能量比值恒定的兆赫重复频率的双脉冲激光，各波长的连续激光器输出功率可连续独立进行调节；
所述的多通道辐射高温计的测试通道波长包含实际使用的连续激光器的工作波长，各测试通道信号输出应在多通道辐射高温计的动态线性响应范围内。
本发明的冲击温度及光谱发射率实时测量系统的工作过程是：实验前先测出被测样品在常态下的光谱反射率，以及用标准光源定出多通道辐射高温计各通道的光谱响应。实验中通过调节各波长连续激光器的输出功率控制反射脉冲激光信号幅度；通过控制各高速声光调制器的工作时刻，使调制的各波长的双脉冲激光在冲击波到达被测样品表面前后分别照射在被测样品表面；双光纤探头收集的反射光信号及被测样品被冲击后发射的热辐射光信号进入多通道辐射高温计后转变为电信号，并由数字示波器记录。数字示波器记录实验信号上的前脉冲激光对应于被测样品在冲击前的表面状态，与常态下被测样品的光谱反射率相关，而后脉冲激光信号对应于被测样品在冲击后的表面状态，与冲击状态下的光谱反射率相关，并同时与因冲击波到达样品表面时产生的热辐射光信号叠加。在考虑冲击前后光信号耦合因子变化的情况下，由实验测得的冲击前后被测样品表面反射的双脉冲激光信号的幅度值及热辐射光信号幅度值，结合实验前测得的常态下被测样品的光谱反射率及由标准光源定出的多通道辐射高温计各通道的光谱响应等参数，根据能量守恒定律、Kirchhoff定律和Planck定律，进行数据处理即可求出被测样品的光谱发射率及冲击温度。
实施例2
本实施例与实施例1的结构相同，不同之处是，连续激光器设置数量为七个。高速声光调制器设置数量为七个。光纤合束器的输入端的光纤数量为七个。
Claims (4)
1.一种冲击温度及光谱发射率的实时测量系统，其特征是，所述的实时测量系统中含有数个不同波长的连续激光器、用于将连续激光器的输出激光调制成能量比值恒定的兆赫重复频率的双脉冲激光的数个高速声光调制器、光纤合束器(5)、双光纤探头（6）、多通道辐射高温计(8)、数字示波器（9）；其连接关系是，所述的连续激光器分别通过光纤与对应的高速声光调制器连接，高速声光调制器通过光纤分别与光纤合束器（5）的每一个输入端口连接，光纤合束器（5）的输出端口与双光纤探头（6）中的一支光纤相连用于将脉冲激光准直并照射被测样品（7）表面，双光纤探头（6）中的另一支光纤用于收集被测样品表面反射的激光脉冲和被测样品（7）冲击后的高温热辐射信号光，并与多通道辐射高温计（8）连接；多通道辐射高温计（8）的电信号输出端与外围设备中的数字示波器（9）连接。
2.根据权利要求1所述的冲击温度及光谱发射率的实时测量系统，其特征是，所述的多通道辐射高温计（8）的测试波长包含连续激光器的工作波长。
3.根据权利要求1所述的冲击温度及光谱发射率的实时测量系统，其特征是，所述的连续激光器的数量大于2。
4.根据权利要求1所述的冲击温度及光谱发射率的实时测量系统，其特征是，所述的高速声光调制器数量、连续激光器数量、光纤合束器（5）输入端的光纤数量对应设置。
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