CN103698356A - 半透明固体材料高温定向反射比的测量方法 - Google Patents

半透明固体材料高温定向反射比的测量方法 Download PDF

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半透明固体材料高温定向反射比的测量方法，属于固体材料高温热辐射特性的测量技术领域。本发明是为了解决不能从单一半透明固体材料样片中测量获得多个高温定向反射比的问题。它将光源、光阑、圆弧轨道和加热腔沿光源的光轴方向布置；沿圆弧轨道移动探测器使光敏面中心对准光源的光轴，记录探测器的初始响应信号；将半透明固体材料样片放置到加热腔内，转动探测器使其光敏面的中心对准半透明固体材料样片的反射面中心，记录探测器由每个测量孔获得的第一探测信号；使光阑遮住光源发射的光束，记录探测器由每个测量孔获得的第二探测信号，计算获得半透明固体材料样片在目标温度时的定向反射比。本发明用于测量半透明固体材料高温定向反射比。

Description

半透明固体材料高温定向反射比的测量方法
技术领域
本发明涉及半透明固体材料高温定向反射比的测量方法，属于固体材料高温热辐射特性的测量技术领域。
背景技术
随着空间科学技术的发展，多孔吸热芯、隔热材料等散射性半透明固体材料已经广泛应用在航空航天领域的高温热场合。如太阳能高温热转换利用中，太阳能吸热腔中需要安装有SiC陶瓷、Al2O3陶瓷或ZrO陶瓷等多孔吸热芯来吸收太阳能，用以加热流动工质，其加热温度可以达到上千度。多孔吸热芯的热辐射物性是进行吸热腔结构设计、高温热转换效率及吸热芯自身结构设计的关键参数。另一方面，空天飞行器表面通常覆盖微纳米多孔隔热材料，用来保护飞行器结构及舱内温度在允许范围内。在空天飞行器机动飞行时，严重的气动热量及隔热材料自身辐射均会对隔热材料的高温隔热性能产生影响，隔热材料热物性随温度的变化会导致隔热功能特性的失效。
因此，对隔热材料的高温定向反射比进行测量，了解其高温隔热性能，并进一步研究其热辐射物性，分析热辐射传输过程，对隔热材料结构设计具有重要意义。由此，专门针对多孔吸热芯及隔热材料等散射性半透明固体材料的热辐射物性开展高温实验测量方法的研究就显得尤为重要。目前，尚不能实现从单一半透明固体材料样片中通过测量获得多个高温定向反射比数据，这对半透明固体材料热辐射物性的研究及评价造成了阻碍。
发明内容
本发明目的是为了解决目前不能从单一半透明固体材料样片中通过测量获得多个高温定向反射比的问题，提供了一种半透明固体材料高温定向反射比的测量方法。
本发明所述半透明固体材料高温定向反射比的测量方法，它包括以下步骤：
步骤一：将光源、光阑、圆弧轨道和加热腔沿光源的光轴方向依次固定布置，加热腔为圆柱形，加热腔的轴线与所述光轴垂直，使光源的光轴通过加热腔的横截面的圆心；加热腔侧壁上具有光入射孔，该光入射孔的中心位于光源的光轴上；加热腔侧壁沿圆周周向上开有四个测量孔，四个测量孔的圆心与光入射孔的中心在加热腔的同一横截平面上；圆弧轨道圆心在加热腔的轴线上，在圆弧轨道上设置探测器，探测器在圆弧轨道上滑动时其光敏面的中心与测量孔中心在同一平面上；
步骤二：沿圆弧轨道移动探测器，并转动探测器使其光敏面中心对准光源的光轴，光源发射的光束经光阑的通光孔后，被探测器的光敏面吸收，记录探测器的初始响应信号VS；
步骤三：将半透明固体材料样片放置到加热腔内，使半透明固体材料样片反射面的中心在加热腔的轴线上，并且与光入射孔圆心在同一平面内，并且半透明固体材料样片的法向与光源的光轴重合，监测半透明固体材料样片的温度，当半透明固体材料样片升温至目标温度后保持当前温度，该目标温度范围为300K-1200K；转动探测器使其光敏面的中心对准半透明固体材料样片的反射面中心，再沿圆弧轨道滑动探测器使其光敏面中心依次对准四个测量孔的圆心，并记录探测器由每个测量孔获得的第一探测信号Vi，i=1,2,3,4；
步骤四：继续保持半透明固体材料样片的当前温度，使光阑遮住光源发射的光束，再使探测器光敏面的中心依次对准四个测量孔的圆心，并记录探测器由每个测量孔获得的第二探测信号Vj，j=1,2,3,4；
步骤五：根据探测器的初始响应信号VS、第一探测信号Vi和第二探测信号Vj，计算获得半透明固体材料样片在目标温度时的定向反射比。
所述半透明固体材料样片在目标温度时的定向反射比的计算方法为：
根据高温定向反射比的计算公式：(Vi-Vj)/VS，
分别计算获得半透明固体材料样片反射面的中心与四个测量孔中心的连线方向的目标温度时的定向反射比。
本发明的优点：本发明所述测量方法适用于对半透明固体材料实施所需温度和方向的定向反射比测量，可以进行300K-1200K温度范围内的定向反射比测量。它可以按照测量需要升温样片至300K-1200K范围内任一温度，按照测量方向的需要，调整测量孔开孔位置，即β1，β2，β3，β4的确切值。测量时，在无样片的条件下先探测获得初始响应信号VS，再放入样片升温至目标温度，分别测量光阑不遮住光源和遮住光源时探测方向上的响应值。
本发明测量方法可以对多孔吸热芯、微纳米多孔隔热材料等散射性半透明固体材料实施定向反射比测量，解决了杂散辐射抑制，温度均匀性、高温有效信号提取、测量单样片获得较多热辐射物性信息等一系列问题，可以根据需要获得所需温度或方向的散射性材料高温定向反射比数据。
本发明测量方法在加热腔内维持在某一高温温度时，即可获得该温度下的样片的多个定向反射比数据。该方法原理简单、操作容易，其目标温度和方向可根据需要设定和布置，获得单一样片定向反射比的数据丰富。
附图说明
图1是本发明所述半透明固体材料高温定向反射比的测量方法的原理图。
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，本实施方式所述半透明固体材料高温定向反射比的测量方法，它包括以下步骤：
步骤一：将光源1、光阑2、圆弧轨道4和加热腔5沿光源1的光轴方向依次固定布置，加热腔5为圆柱形，加热腔5的轴线与所述光轴垂直，使光源1的光轴通过加热腔5的横截面的圆心；加热腔5侧壁上具有光入射孔，该光入射孔的中心位于光源1的光轴上；加热腔5侧壁沿圆周周向上开有四个测量孔5-1，四个测量孔5-1的圆心与光入射孔的中心在加热腔5的同一横截平面上；圆弧轨道4圆心在加热腔5的轴线上，在圆弧轨道4上设置探测器3，探测器3在圆弧轨道4上滑动时其光敏面的中心与测量孔5-1中心在同一平面上；
步骤二：沿圆弧轨道4移动探测器3，并转动探测器3使其光敏面中心对准光源1的光轴，光源1发射的光束经光阑2的通光孔后，被探测器3的光敏面吸收，记录探测器3的初始响应信号VS；
步骤三：将半透明固体材料样片6放置到加热腔5内，使半透明固体材料样片6反射面的中心在加热腔5的轴线上，并且与光入射孔圆心在同一平面内，并且半透明固体材料样片6的法向与光源1的光轴重合，监测半透明固体材料样片6的温度，当半透明固体材料样片6升温至目标温度后保持当前温度，该目标温度范围为300K-1200K；转动探测器3使其光敏面的中心对准半透明固体材料样片6的反射面中心，再沿圆弧轨道4滑动探测器3使其光敏面中心依次对准四个测量孔5-1的圆心，并记录探测器3由每个测量孔5-1获得的第一探测信号Vi，i=1,2,3,4；
步骤四：继续保持半透明固体材料样片6的当前温度，使光阑2遮住光源1发射的光束，再使探测器3光敏面的中心依次对准四个测量孔5-1的圆心，并记录探测器3由每个测量孔5-1获得的第二探测信号Vj，j=1,2,3,4；
步骤五：根据探测器3的初始响应信号VS、第一探测信号Vi和第二探测信号Vj，计算获得半透明固体材料样片6在目标温度时的定向反射比。
本实施方式中，四个测量孔5-1所在半径与半透明固体材料样片6反射面的法向成不同角度，即图1中所示β1、β2、β3和β4。测量孔5-1选择为四个，是为了防止测量孔过多造成加热腔5漏热严重，使温度场均匀性受到影响。
加热腔5侧壁上的光入射孔与四个测量孔5-1位于加热腔5同一横截面的圆周上，光轴穿过该横截面的圆心。
具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式所述半透明固体材料样片6在目标温度时的定向反射比的计算方法为：
根据高温定向反射比的计算公式：(Vi-Vj)/VS，
分别计算获得半透明固体材料样片6反射面的中心与四个测量孔5-1中心的连线方向的目标温度时的定向反射比。
本实施方式中，Vi-Vj为半透明固体材料样片6反射辐射引起的响应值，该响应值再与VS作比值即为半透明固体材料样片6的由反射面的中心依次与四个测量孔5-1中心的径向连线方向的高温定向反射比，即探测方向上的定向反射比，四个探测方向依次为图1中的β1、β2、β3和β4所指方向。

Claims (2)

1.一种半透明固体材料高温定向反射比的测量方法，其特征在于，它包括以下步骤：
步骤一：将光源（1）、光阑（2）、圆弧轨道（4）和加热腔（5）沿光源（1）的光轴方向依次固定布置，加热腔（5）为圆柱形，加热腔（5）的轴线与所述光轴垂直，使光源（1）的光轴通过加热腔（5）的横截面的圆心；加热腔（5）侧壁上具有光入射孔，该光入射孔的中心位于光源（1）的光轴上；加热腔（5）侧壁沿圆周周向上开有四个测量孔（5-1），四个测量孔（5-1）的圆心与光入射孔的中心在加热腔（5）的同一横截平面上；圆弧轨道（4）圆心在加热腔（5）的轴线上，在圆弧轨道（4）上设置探测器（3），探测器（3）在圆弧轨道（4）上滑动时其光敏面的中心与测量孔（5-1）中心在同一平面上；
步骤二：沿圆弧轨道（4）移动探测器（3），并转动探测器（3）使其光敏面中心对准光源（1）的光轴，光源（1）发射的光束经光阑（2）的通光孔后，被探测器（3）的光敏面吸收，记录探测器（3）的初始响应信号VS；
步骤三：将半透明固体材料样片（6）放置到加热腔（5）内，使半透明固体材料样片（6）反射面的中心在加热腔（5）的轴线上，并且与光入射孔圆心在同一平面内，并且半透明固体材料样片（6）的法向与光源（1）的光轴重合，监测半透明固体材料样片（6）的温度，当半透明固体材料样片（6）升温至目标温度后保持当前温度，该目标温度范围为300K-1200K；转动探测器（3）使其光敏面的中心对准半透明固体材料样片（6）的反射面中心，再沿圆弧轨道（4）滑动探测器（3）使其光敏面中心依次对准四个测量孔（5-1）的圆心，并记录探测器（3）由每个测量孔（5-1）获得的第一探测信号Vi，i=1,2,3,4；
步骤四：继续保持半透明固体材料样片（6）的当前温度，使光阑（2）遮住光源（1）发射的光束，再使探测器（3）光敏面的中心依次对准四个测量孔（5-1）的圆心，并记录探测器（3）由每个测量孔（5-1）获得的第二探测信号Vj，j=1,2,3,4；
步骤五：根据探测器（3）的初始响应信号VS、第一探测信号Vi和第二探测信号Vj，计算获得半透明固体材料样片（6）在目标温度时的定向反射比。
2.根据权利要求1所述的半透明固体材料高温定向反射比的测量方法，其特征在于，所述半透明固体材料样片（6）在目标温度时的定向反射比的计算方法为：
根据高温定向反射比的计算公式：(Vi-Vj)/VS，
分别计算获得半透明固体材料样片（6）反射面的中心与四个测量孔（5-1）中心的连线方向的目标温度时的定向反射比。
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