CN103353440A - 采用气体吸收光谱测量材料漫反射率的装置及方法 - Google Patents

Abstract

采用气体吸收光谱测量材料漫反射率的装置及方法，属于材料漫反射率的测量技术领域。本发明为了解决由于积分球的非中性特征导致光谱在不同波段发生变化而使材料的漫反射率测量不准确的问题。装置包括电源、激光光源、聚焦透镜、积分球、光电探测器、数据采集卡和计算机，积分球具有入光孔和出光孔，所述入光孔的中心与积分球球心的连线和出光孔的中心与积分球球心的连线的夹角为直角，积分球的内壁均匀喷涂待测材料；方法为激光光源发出的光束在积分球内与已知浓度气体及待测材料相互作用后，被光电探测器接收，光电探测器输出的电信号通过数据采集卡传输给计算机，计算机通过计算获得待测材料的漫反射率。本发明用于测量材料漫反射率。

Description

采用气体吸收光谱测量材料漫反射率的装置及方法

技术领域

本发明涉及采用气体吸收光谱测量材料漫反射率的装置及方法，属于材料漫反射率的测量技术领域。

背景技术

反射率是材料的重要特性，材料反射率的精确测量对于研究材料性质及结构有很大帮助。对于镜面材料反射率的测量可以通过测量垂直材料方向的入射光的通量和反射光通量得到反射率；而对于非镜面材料的漫反射率测量通常使用光谱及红外傅里叶变换的方法。

积分球通常被用于光照度的测量，其另一个重要应用就是用来测量材料的漫反射率，主要是用来测量具有朗伯特特性的材料的漫反射率。具有朗伯特特性的被测材料均匀涂在积分球内壁，通过光谱仪测量光源的标准谱和经过积分球后的光谱，再分析比对得到材料的漫反射率。然而由于积分球的非中性特征导致光谱在不同波段发生变化，从而很难从获得的经过积分球后的光谱与标准谱的比对中得到材料准确的漫反射率。

发明内容

本发明是为了解决现有采用积分球测量材料的漫反射率的方法中，由于积分球的非中性特征导致光谱在不同波段发生变化而使材料的漫反射率测量不准确的问题，提供了一种采用气体吸收光谱测量材料漫反射率的装置及方法。

本发明所述采用气体吸收光谱测量材料漫反射率的装置，它包括电源，它还包括激光光源、聚焦透镜、积分球、光电探测器、数据采集卡和计算机，

积分球具有入光孔和出光孔，所述入光孔的中心与积分球球心的连线和出光孔的中心与积分球球心的连线的夹角为直角，该积分球的内壁均匀喷涂待测材料，该积分球内充满已知浓度气体；

电源为激光光源提供工作电源，激光光源发出的光束通过聚焦透镜聚集后由积分球的入光孔进入到积分球内，最终从出光孔出射，从出光孔出射的光束入射至光电探测器的光接收面，光电探测器的电信号输出端连接数据采集卡的采集信号输入端，数据采集卡的采集信号输出端连接计算机的采集信号输入端。

激光光源发出的光束的波长为紫外波段、可见光波段或近中红外波段。

所述积分球内的已知浓度气体具有特征吸收谱。

所述数据采集卡的采集信号输出端连接计算机的PCI接口。

一种基于上述采用气体吸收光谱测量材料漫反射率的装置的采用气体吸收光谱测量材料漫反射率的方法，

激光光源发出的光束在积分球内与已知浓度气体及待测材料相互作用后，被光电探测器接收，光电探测器输出的电信号通过数据采集卡传输给计算机，计算机通过计算获得待测材料的漫反射率ρ(ν)为：

$\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\ν}\right)=\frac{1}{\exp (-\mathrm{\α}\left(\mathrm{\ν}\right)N\frac{2}{3}D)}\frac{1}{\frac{I_{0}S}{\mathrm{I\π}{D}^2}+(1-f)},$

式中α为已知浓度气体的吸收截面，ν为已知浓度气体吸收谱的中心频率，N为已知浓度气体的粒子数密度，D为积分球的直径，I0为激光光源发出的光束的光强，S为电探测器的光接收面的表面积，I为电探测器光接收面接收的光信号的光强，f为积分球的入光孔和出光孔的表面积和与积分球内壁表面积的比值。

本发明的优点：本发明装置利用气体吸收光谱技术测量积分球内壁材料漫反射率，它将光源发出的光经聚焦透镜汇聚后由积分球的入光孔进入积分球中，入射光与已知浓度气体及积分球内壁材料相互作用后，由积分球的出光孔出射，出射光信号被光电探测器接收并转换成电信号由数据采集卡采集，数据通过PCI接口输入到计算机进行处理，通过分析已知浓度气体的吸收信号而得到积分球内壁材料的漫反射率，能够准确快速的获得待测材料的漫反射率。

本发明所述方法建立起了气体吸收谱与积分球内壁材料漫反射率之间的关系，从而可以通过气体吸收谱的分析得到积分球内壁材料的漫反射率，实现了利用气体吸收光谱技术测量材料漫反射率的方法。具有灵敏、可靠、快速等优点，可以方便准确的得到材料漫反射率的信息。本发明无需使用光谱仪，其结构简单，成本低廉，方法可靠，精度高。为材料的漫反射率测量提供了一种方便快捷的测量方法。

附图说明

图1是本发明所述采用气体吸收光谱测量材料漫反射率的装置的原理图。

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，本实施方式所述采用气体吸收光谱测量材料漫反射率的装置，它包括电源1，它还包括激光光源2、聚焦透镜3、积分球4、光电探测器5、数据采集卡6和计算机7，

积分球4具有入光孔4-1和出光孔4-2，所述入光孔4-1的中心与积分球4球心的连线和出光孔4-2的中心与积分球4球心的连线的夹角为直角，该积分球4的内壁均匀喷涂待测材料，该积分球4内充满已知浓度气体；

电源1为激光光源2提供工作电源，激光光源2发出的光束通过聚焦透镜3聚集后由积分球4的入光孔4-1进入到积分球4内，最终从出光孔4-2出射，从出光孔4-2出射的光束入射至光电探测器5的光接收面，光电探测器5的电信号输出端连接数据采集卡6的采集信号输入端，数据采集卡6的采集信号输出端连接计算机7的采集信号输入端。

本实施方式所述激光光源2可以为宽带光源，也可以为可调谐窄带激光光源。电源1为激光光源2提供稳压电源。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式所述激光光源2发出的光束的波长为紫外波段、可见光波段或近中红外波段。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，本实施方式所述积分球4内的已知浓度气体具有特征吸收谱。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式一、二或三作进一步说明，本实施方式所述数据采集卡6的采集信号输出端连接计算机7的PCI接口。

具体实施方式五：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式为基于上述实施方式之一所述采用气体吸收光谱测量材料漫反射率的装置的采用气体吸收光谱测量材料漫反射率的方法，

激光光源2发出的光束在积分球4内与已知浓度气体及待测材料相互作用后，被光电探测器5接收，光电探测器5输出的电信号通过数据采集卡6传输给计算机7，计算机7通过计算获得待测材料的漫反射率ρ(ν)为：

$\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\ν}\right)=\frac{1}{\exp (-\mathrm{\α}\left(\mathrm{\ν}\right)N\frac{2}{3}D)}\frac{1}{\frac{I_{0}S}{{\mathrm{I\πD}}^2}+(1-f)},$

式中α为已知浓度气体的吸收截面，ν为已知浓度气体吸收谱的中心频率，N为已知浓度气体的粒子数密度，D为积分球4的直径，I₀为激光光源2发出的光束的光强，S为电探测器5的光接收面的表面积，I为电探测器5光接收面接收的光信号的光强，f为积分球4的入光孔4-1和出光孔4-2的表面积和与积分球4内壁表面积的比值。

本实施方式中数据采集卡6用于实时采集光电探测器5输出的电信号，并通过PCI接口输入到计算机7进行分析处理。依据比尔吸收定律和积分球理论推导出积分球内壁材料的漫反射率ρ(ν)。

工作原理：本发明采用宽带光源或者可调谐窄带光源，光源发射光经聚焦透镜聚焦，由积分球入光孔入射到积分球内，积分球内充有已知浓度的气体，气体具有特征吸收谱线，气体的特征吸收谱处在宽带光源光谱范围内或可调谐窄带光源的调谐范围内，入射光与积分球内已知浓度气体及积分球内壁材料相互作用后由积分球的出光孔出射。光电探测器5采集的信号为特定浓度下的气体吸收光谱信号。该光谱信号与积分球内壁材料的漫反射率之间的关系如漫反射率ρ(ν)的公式所示。

Claims (5)

1.一种采用气体吸收光谱测量材料漫反射率的装置，它包括电源（1），其特征在于，它还包括激光光源（2）、聚焦透镜（3）、积分球（4）、光电探测器（5）、数据采集卡（6）和计算机（7），

积分球（4）具有入光孔（4-1）和出光孔（4-2），所述入光孔（4-1）的中心与积分球（4）球心的连线和出光孔（4-2）的中心与积分球（4）球心的连线的夹角为直角，该积分球（4）的内壁均匀喷涂待测材料，该积分球（4）内充满已知浓度气体；

电源（1）为激光光源（2）提供工作电源，激光光源（2）发出的光束通过聚焦透镜（3）聚集后由积分球（4）的入光孔（4-1）进入到积分球（4）内，最终从出光孔（4-2）出射，从出光孔（4-2）出射的光束入射至光电探测器（5）的光接收面，光电探测器（5）的电信号输出端连接数据采集卡（6）的采集信号输入端，数据采集卡（6）的采集信号输出端连接计算机（7）的采集信号输入端。

2.根据权利要求1所述的采用气体吸收光谱测量材料漫反射率的装置，其特征在于，激光光源（2）发出的光束的波长为紫外波段、可见光波段或近中红外波段。

3.根据权利要求1所述的采用气体吸收光谱测量材料漫反射率的装置，其特征在于，所述积分球（4）内的已知浓度气体具有特征吸收谱。

4.根据权利要求1所述的采用气体吸收光谱测量材料漫反射率的装置，其特征在于，所述数据采集卡（6）的采集信号输出端连接计算机（7）的PCI接口。

5.一种基于权利要求1所述采用气体吸收光谱测量材料漫反射率的装置的采用气体吸收光谱测量材料漫反射率的方法，其特征在于，

激光光源（2）发出的光束在积分球（4）内与已知浓度气体及待测材料相互作用后，被光电探测器（5）接收，光电探测器（5）输出的电信号通过数据采集卡（6）传输给计算机（7），计算机（7）通过计算获得待测材料的漫反射率ρ(ν)为：

$\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\ν}\right)=\frac{1}{\exp (-\mathrm{\α}\left(\mathrm{\ν}\right)N\frac{2}{3}D)}\frac{1}{\frac{I_{0}S}{\mathrm{I\π}{D}^2}+(1-f)},$

式中α为已知浓度气体的吸收截面，ν为已知浓度气体吸收谱的中心频率，N为已知浓度气体的粒子数密度，D为积分球（4）的直径，I₀为激光光源（2）发出的光束的光强，S为电探测器（5）的光接收面的表面积，I为电探测器（5）光接收面接收的光信号的光强，f为积分球（4）的入光孔（4-1）和出光孔（4-2）的表面积和与积分球（4）内壁表面积的比值。