CN103712958B - 半透明固体材料高温定向透射比的测量方法 - Google Patents
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Abstract
半透明固体材料高温定向透射比的测量方法，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其多个高温定向透射比的问题。它将光源、光阑、加热腔和圆弧轨道沿光源的光轴布置；沿圆弧轨道移动探测器，使光源发射的光束经光阑的通光孔、光入射孔和光出射孔后，被探测器吸收，记录初始响应信号；将半透明固体材料样片放置到加热腔内，记录探测器由光出射孔及每个测量孔依次获得的第一探测信号；使光阑遮住光源发射的光束，记录探测器由光出射孔及每个测量孔依次获得的第二探测信号；计算获得半透明固体材料样片的高温定向透射比。本发明用于测量半透明固体材料高温定向透射比。
Description
技术领域
本发明涉及半透明固体材料高温定向透射比的测量方法，属于固体材料高温热辐射特性的测量技术领域。
背景技术
空间技术的发展促进了光学窗口、隔热材料等半透明防隔热材料在航天领域的应用。目标探测、红外制导、空间遥感等均需要在仪器舱壁上安装光学窗口，用以保护仪器舱内的探测仪器免受气动热、激波辐射与内外压差的作用。但是，严酷的环境同样会使光学窗口内温度升高，造成探测仪器的透射性能变化、温度梯度变大等，最终将导致光学窗口热辐射物性的变化，进而使探测系统的目标图像产生模糊、抖动、偏移和能量衰减等，降低了系统对目标的检测和跟踪能力，严重时甚至会造成窗口的热障问题。
另一方面，航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。在航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自身的高温隔热性能产生影响，严重时甚至产生哥伦比亚号惨剧。因此，实验测量隔热材料的高温透射比，了解其高温隔热性能，对进一步研究其热辐射物性，分析热辐射传输过程，设计多孔结构等均具有重要意义。因此，专门针对光学窗口、隔热材料等防隔热材料开展高温实验测量的方法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其多个高温定向透射比，这对半透明固体材料热辐射物性的研究造成了阻碍。
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其多个高温定向透射比的问题，提供了一种半透明固体材料高温定向透射比的测量方法。
本发明所述半透明固体材料高温定向透射比的测量方法，它包括以下步骤：
步骤一：将光源、光阑、加热腔和圆弧轨道沿光源的光轴依次固定布置，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和光出射孔，该光入射孔和光出射孔的中心均位于光源的光轴上；加热腔侧壁上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和光出射孔的圆心在加热腔的同一横截面上；圆弧轨道的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的圆心在同一平面上；
步骤二：沿圆弧轨道移动探测器，使光源发射的光束经光阑的通光孔、加热腔的光入射孔和光出射孔后，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光出射面的中心在加热腔的轴线上，并且半透明固体材料样片的透射面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；滑动探测器使其光敏面的中心依次对准光出射孔及四个测量孔的圆心，并记录探测器由光出射孔及每个测量孔依次获得的第一探测信号Vi，i＝0,1,2,3,4；
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，再滑动探测器使其光敏面的中心依次对准光出射孔及四个测量孔的圆心，并记录探测器由光出射孔及每个测量孔依次获得的第二探测信号Vj，j＝0,1,2,3,4；
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相应方向的高温定向透射比。
所述半透明固体材料样片在目标温度时的相应方向的高温定向透射比的计算方法为：
根据高温定向透射比的计算公式：(Vi-Vj)/VS，
分别计算获得半透明固体材料样片的光轴方向及由透射面的中心依次与四个测量孔中心的连线方向的高温定向透射比。
本发明的优点：本发明用于对高温半透明态的防隔热材料实施所需温度和方向的定向透射比测量。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的具体值。测量时，在无样片的条件下先探测获得光源发射光束投射到探测器的响应信号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出射方向，探测方向上的响应值。
本发明方法可用于光学窗口、隔热材料等半透明防隔热材料的高温定向透射比的测量，解决了杂散辐射，温度均匀性、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防隔热材料高温定向透射比数据。
本发明方法通过在圆柱形加热腔侧壁上定向光路通道实现定向透射比的测量，当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透射比数据。该方法原理简单，操作容易，温度、方向可根据需要设定和布置，获得单一样片定向透射比数据丰富。
附图说明
图1是本发明所述半透明固体材料高温定向透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透射比的测量方法，它包括以下步骤：
步骤一：将光源1、光阑2、加热腔3和圆弧轨道4沿光源1的光轴依次固定布置，加热腔3为圆柱形，加热腔3的轴线与所述光轴垂直；使光源1的光轴通过加热腔3的横截面的圆心，加热腔3侧壁上具有光入射孔3-1和光出射孔3-2，该光入射孔3-1和光出射孔3-2的中心均位于光源1的光轴上；加热腔3侧壁上沿圆周周向上开有四个测量孔3-3，四个测量孔3-3的圆心与光入射孔3-1和光出射孔3-2的圆心在加热腔3的同一横截面上；圆弧轨道4的圆心在加热腔3的轴线上；在圆弧轨道4上设置探测器5，探测器5在圆弧轨道4上滑动时其光敏面的中心与测量孔3-3的圆心在同一平面上；
步骤二：沿圆弧轨道4移动探测器5，使光源1发射的光束经光阑2的通光孔、加热腔3的光入射孔3-1和光出射孔3-2后，被探测器5的光敏面吸收，记录探测器5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3内，使半透明固体材料样片6光出射面的中心在加热腔3的轴线上，并且半透明固体材料样片6的透射面法向与光源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；滑动探测器5使其光敏面的中心依次对准光出射孔3-2及四个测量孔3-3的圆心，并记录探测器5由光出射孔3-2及每个测量孔3-3依次获得的第一探测信号Vi，i＝0,1,2,3,4；
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，再滑动探测器5使其光敏面的中心依次对准光出射孔3-2及四个测量孔3-3的圆心，并记录探测器5由光出射孔3-2及每个测量孔3-3依次获得的第二探测信号Vj，j＝0,1,2,3,4；
步骤五：根据探测器5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在目标温度时的相应方向的高温定向透射比。
本实施方式中，探测器5可沿圆弧轨道4滑动，四个测量孔3-3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3-3选择为四个，是为了防止测量孔过多造成加热腔3漏热严重，使温度场均匀性受到影响。
加热腔3侧壁上的光入射孔3-1、光出射孔3-2和四个测量孔3-3位于加热腔3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在目标温度时的相应方向的高温定向透射比的计算方法为：
根据高温定向透射比的计算公式：(Vi-Vj)/VS，
分别计算获得半透明固体材料样片6的光轴方向及由透射面的中心依次与四个测量孔3-3中心的连线方向的高温定向透射比。
本实施方式中，Vi-Vj为半透明固体材料样片6的透射信号引起的响应值，该响应值再与VS作比值，即获得半透明固体材料样片6由光出射面的中心沿光轴方向及依次与四个测量孔3-3中心的径向连线方向的高温定向透射比，即探测方向上的定向透射比，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透射比的测量方法，其特征在于，它包括以下步骤：
步骤一：将光源(1)、光阑(2)、加热腔(3)和圆弧轨道(4)沿光源(1)的光轴依次固定布置，加热腔(3)为圆柱形，加热腔(3)的轴线与所述光轴垂直；使光源(1)的光轴通过加热腔(3)的横截面的圆心，加热腔(3)侧壁上具有光入射孔(3-1)和光出射孔(3-2)，该光入射孔(3-1)和光出射孔(3-2)的中心均位于光源(1)的光轴上；加热腔(3)侧壁上沿圆周周向上开有四个测量孔(3-3)，四个测量孔(3-3)的中心与光入射孔(3-1)和光出射孔(3-2)的中心在加热腔(3)的同一横截面上；圆弧轨道(4)的圆心在加热腔(3)的轴线上；在圆弧轨道(4)上设置探测器(5)，探测器(5)在圆弧轨道(4)上滑动时其光敏面的中心与测量孔(3-3)的中心在同一平面上；
步骤二：沿圆弧轨道(4)移动探测器(5)，使光源(1)发射的光束经光阑(2)的通光孔、加热腔(3)的光入射孔(3-1)和光出射孔(3-2)后，被探测器(5)的光敏面吸收，记录探测器(5)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(3)内，使半透明固体材料样片(6)光出射面的中心在加热腔(3)的轴线上，并且半透明固体材料样片(6)的透射面法向与光源(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；滑动探测器(5)使其光敏面的中心依次对准光出射孔(3-2)及四个测量孔(3-3)的中心，并记录探测器(5)由光出射孔(3-2)及每个测量孔(3-3)依次获得的第一探测信号Vi，i＝0,1,2,3,4；
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，再滑动探测器(5)使其光敏面的中心依次对准光出射孔(3-2)及四个测量孔(3-3)的中心，并记录探测器(5)由光出射孔(3-2)及每个测量孔(3-3)依次获得的第二探测信号Vj，j＝0,1,2,3,4；
步骤五：根据探测器(5)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)在目标温度时的相应方向的高温定向透射比。
2.根据权利要求1所述的半透明固体材料高温定向透射比的测量方法，其特征在于，所述半透明固体材料样片(6)在目标温度时的相应方向的高温定向透射比的计算方法为：
根据高温定向透射比的计算公式：(Vi-Vj)/VS，
分别计算获得半透明固体材料样片(6)的光轴方向及由透射面的中心依次与四个测量孔(3-3)中心的连线方向的高温定向透射比。
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