CN103884734B - 一种连续测量材料方向光谱发射率的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续测量材料方向光谱发射率的装置和方法。本发明的技术方案要点为：一种连续测量材料方向光谱发射率的装置，主要由椭圆轨道、步进电机A、步进电机B、反射镜A、反射镜B、抛物面反射镜、加热及控温装置、标准黑体、电动位移平台和探测装置构成，该装置利用椭圆的几何性质，将待测样品放置于椭圆左焦点处，样品的表面中心发出的辐射光经由置于椭圆轨道上且和椭圆轨道始终相切的反射镜A反射后到达椭圆右焦点处，通过放置在右焦点处的反射镜B反射，再经抛物面反射镜反射后到达探测装置中。本发明既不用旋转样品，也不用旋转探测器，通过两个步进电机带动的反射镜的同步调节来实现材料方向光谱发射率的测量。

Description

一种连续测量材料方向光谱发射率的装置和方法

技术领域

本发明属于材料热物性测量技术领域，具体涉及一种连续测量材料方向光谱发射率的装置和方法。

背景技术

材料的光谱发射率是表征材料表面红外辐射能力大小的物理量，是一项重要的热物性参数，在辐射测温、红外制导、卫星遥感、红外加热等领域有着重要的应用价值。

方向发射率的测量方法可以分为两种：一种是反射法，即先通过测量方向反射率，进而计算求出方向发射率，此方法仅限于测量不透明材料；另一种是直接测量法，即分别测量同一角度下材料的红外辐射和黑体的红外辐射，然后根据定义计算出方向发射率数值。直接测量法目前有两种主要的形式：一是探测装置不动，通过旋转样品来测量方向发射率，此种方法对于测量高温样品存在很大的技术困难，因为温度很高时，加热样品所需的加热装置体积也很大，无论是旋转样品还是旋转加热装置都十分困难；另一种是被测样品不动，通过移动探测装置的位置来测量方向发射率，旋转探测装置对于光路的调整技术要求很高，此外，对于一些体积较大的探测装置的旋转也十分困难，如傅立叶红外光谱仪。

发明内容

本发明针对现有方向光谱发射率测量装置的局限性，利用椭圆的几何性质设计了一种连续测量材料方向光谱发射率的装置，使用该装置既不用旋转样品，也不用旋转探测器，通过两个步进电机带动的反射镜的同步调节来实现材料方向光谱发射率的测量，对于材料方向光谱发射率的科学研究和实际应用具有重要意义。另外，本发明还公开了基于该方向光谱发射率测量装置的测量方法。

本发明的技术方案为：一种连续测量材料方向光谱发射率的装置，其特征在于主要由椭圆轨道、步进电机A、步进电机B、反射镜A、反射镜B、抛物面反射镜、加热及控温装置、标准黑体、电动位移平台和探测装置构成，所述的椭圆轨道固定于支架上，步进电机A固定于椭圆轨道外侧并沿椭圆轨道方向运行，在步进电机A的转轴上固定有反射镜A，该反射镜A的镜面与椭圆轨道的内壁相切，并且在步进电机A沿椭圆轨道运行过程中通过转轴调整反射镜A的镜面始终与椭圆轨道的内壁相切，所述的步进电机B固定于椭圆轨道右焦点的外侧，在步进电机B的转轴上固定有反射镜B，该反射镜B镜面的中心位置与椭圆轨道的右焦点重合，通过步进电机B的转轴调整反射镜B的角度使经过反射镜B的辐射光方向竖直向下，反射镜B的下方沿光传输方向设有抛物面反射镜，在抛物面反射镜的右侧沿光传输方向设有探测装置，所述的加热及控温装置分别设置于电动位移平台上，并且加热及控温装置中样品的表面中心及标准黑体的孔径中心分别与椭圆轨道的左右焦点处于同一水平面上，通过计算机控制电动位移平台的移动、步进电机A和步进电机B转轴的转动以及探测装置的数据采集。

本发明所述的反射镜A为平面反射镜，所述的反射镜B为正反面材质和光学特性相同的平面反射镜。

一种连续测量材料方向光谱发射率的方法，其特征在于包括以下步骤：（1）通过电动位移平台将加热及控温装置移动至样品的表面中心与椭圆轨道的左焦点重合，在控温装置上设定要加热的温度，并开启加热装置对样品和标准黑体同时进行加热；（2）在椭圆轨道的外侧调整步进电机A至待测角度θ方向，反射镜A的镜面与椭圆轨道的内壁相切，椭圆轨道的方程为，椭圆轨道上反射镜A和椭圆轨道内壁的切点坐标为（x，y），样品表面中心发出的辐射光和x轴成α角，经椭圆轨道上反射镜A反射后到达右焦点处的辐射光与x轴成β角，右焦点处的反射镜B和其所在的焦点左侧x轴成γ角；（3）根据计算得到的γ角调整步进电机B的转轴使反射镜B的镜面与焦点左侧的x轴呈γ角；（4）辐射光依次经过反射镜B和抛物面反射镜后到达探测装置，该探测装置测量样品的光谱辐射能量值；（5）通过电动位移平台调节加热及控温装置，使标准黑体的孔径中心与椭圆轨道的左焦点重合，直接测量标准黑体的光谱辐射能量值，两次侧得的辐射能量值之比即可计算出角度θ方向的样品方向光谱发射率。

本发明所述的角度θ的范围为0°-85°。

本发明所述的α角的计算公式为：；所述的θ角的计算公式为：。

本发明所述的γ角的计算公式为：。

本发明利用椭圆的几何性质，将待测样品放置于椭圆左焦点处，样品表面发出的辐射光经由置于椭圆轨道上且和椭圆轨道始终相切的反射镜反射后到达椭圆右焦点处，通过放置在右焦点处的反射镜反射，再经抛物面反射镜反射后到达探测装置中。当测量标准黑体辐射时，只需通过计算机控制的电动位移平台将标准黑体水平移动到原样品所在焦点处即可，通过两次测得的辐射之比即可计算出该角度下材料的方向发射率。测量其他角度时，此方法无需旋转样品和探测器，只需通过计算机控制的步进电机同步调节两块反射镜即可实现。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、该装置通过两个步进电机带动的反射镜同步调节实现了材料方向发射率的连续测量，避免了传统测量方法中旋转样品或探测器造成的光路对准困难的问题；

2、该装置的加热设备、标准黑体、探测装置可以根据需要测量的温度范围、测量波长进行更换，提高了测量装置的灵活性和适用性；

3、该装置测量角度范围大，能够测量材料在0°-85°角度范围的光谱发射率。

附图说明

图1是本发明的连续测量材料方向光谱发射率装置的结构示意图。

具体实施方式

结合附图详细描述实施例。一种连续测量材料方向光谱发射率装置，主要由椭圆轨道1、步进电机A2、步进电机B3、反射镜A4、反射镜B5、抛物面反射镜6、加热及控温装置7、标准黑体、电动位移平台8和探测装置9，所述的椭圆轨道1固定于支架上，步进电机A2固定于椭圆轨道1外侧并沿椭圆轨道1方向运行，在步进电机A2的转轴上固定有反射镜A4，该反射镜A4的镜面与椭圆轨道1的内壁相切，并且在步进电机A2沿椭圆轨道1运行过程中通过转轴调整反射镜A4的镜面始终与椭圆轨道1的内壁相切，所述的步进电机B3固定于椭圆轨道1右焦点的外侧，在步进电机B3的转轴上固定有反射镜B5，该反射镜B5镜面的中心位置与椭圆轨道1的右焦点重合，通过步进电机B3的转轴调整反射镜B5的角度使经过反射镜B5的辐射光方向竖直向下，在反射镜B5的下方沿光传输方向设有抛物面反射镜6，抛物面反射镜6的右侧沿光传输方向设有探测装置9，所述的加热及控温装置7分别设置于电动位移平台8上，并且加热及控温装置7中样品的表面中心及标准黑体的孔径中心分别与椭圆轨道1的左右焦点处于同一水平面上，通过计算机10控制电动位移平台8的移动、步进电机A2和步进电机B3转轴的转动以及探测装置9的数据采集。所述的反射镜A4为平面反射镜，所述的反射镜B5为正反面材质和光学特性相同的平面反射镜。

椭圆轨道上的反射镜A由步进电机A带动的机械装置控制其移动，其移动轨迹遵循椭圆的标准方程，反射镜A在移动过程中镜面始终和椭圆轨道内壁相切，右焦点处的反射镜B在测量过程中随椭圆轨道上的反射镜A同步转动，使得辐射光到达探测装置中。控制右焦点处反射镜B的步进电机B遵循特定的函数关系移动，其函数关系求解如下：如图1所示，以椭圆轨道中心建立平面坐标系，设椭圆方程为，椭圆轨道上反射镜A和椭圆轨道内壁切点坐标为（x，y），焦距为c。样品表面中心发出的辐射光和x轴成α角，经椭圆轨道上反射镜A反射后到达右焦点处的辐射光与x轴成β角，右焦点处的反射镜B和其所在的焦点左侧x轴成γ角。右焦点下方是一个抛物面反射镜，其可以使入射的辐射光经反射后变成平行光，并由此抛物面反射镜反射后进入探测装置中，此时测量的是样品θ角度下的方向发射率。由图可知：

，

右焦点处的反射镜B与其所在的焦点左侧x轴成γ角的大小分两种情况：

当时，其几何关系如下：

，求得；

当时，其几何关系如下：

，求得。

则右焦点处的反射镜B和其所在的焦点左侧x轴成γ角满足的函数关系为：

。

根据上述推导的函数关系，本测量装置不仅可以特定角度下材料方向发射率的测量，还可以实现材料方向发射率的连续测量。

本发明利用椭圆的几何性质，将待测样品放置于椭圆左焦点处，样品表面发出的红外辐射经由置于椭圆轨道上且和椭圆轨道始终相切的反射镜反射后到达椭圆右焦点处，通过放置在右焦点处的反射镜反射，再经抛物面反射镜反射后到达探测装置中。当测量标准黑体辐射时，只需通过计算机控制的电动位移平台将标准黑体水平移动到原样品所在焦点处即可，通过两次测得的辐射之比即可计算出该角度下材料的方向发射率。测量其他角度时，此方法无需旋转样品和探测器，只需通过计算机控制的步进电机同步调节两块反射镜即可实现。

如果仅需要测量某一角度的发射率，只需要通过计算机控制两个反射镜到达指定的位置，分别测量样品和标准黑体的辐射光能量值即可。

以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。

Claims (2)

1.一种连续测量材料方向光谱发射率的方法，其特征在于测量过程通过连续测量材料方向光谱发射率的装置实现，该连续测量材料方向光谱发射率的装置主要由椭圆轨道、步进电机A、步进电机B、反射镜A、反射镜B、抛物面反射镜、加热及控温装置、标准黑体、电动位移平台、探测装置和计算机构成，所述的椭圆轨道固定于支架上，步进电机A固定于椭圆轨道外侧并沿椭圆轨道方向运行，在步进电机A的转轴上固定有反射镜A，该反射镜A的镜面与椭圆轨道的内壁相切，并且在步进电机A沿椭圆轨道运行过程中通过转轴调整反射镜A的镜面始终与椭圆轨道的内壁相切，所述的步进电机B固定于椭圆轨道右焦点的外侧，在步进电机B的转轴上固定有反射镜B，该反射镜B镜面的中心位置与椭圆轨道的右焦点重合，通过步进电机B的转轴调整反射镜B的角度使经过反射镜B的辐射光方向竖直向下，反射镜B的下方沿光传输方向设有抛物面反射镜，在抛物面反射镜的右侧沿光传输方向设有探测装置，所述的加热及控温装置分别设置于电动位移平台上，并且加热及控温装置中样品的表面中心及标准黑体的孔径中心分别与椭圆轨道的左右焦点处于同一水平面上，通过计算机控制电动位移平台的移动、步进电机A和步进电机B转轴的转动以及探测装置的数据采集，所述的反射镜A为平面反射镜，所述的反射镜B为正反面材质和光学特性相同的平面反射镜；具体包括以下步骤：（1）通过电动位移平台将加热及控温装置移动至样品的表面中心与椭圆轨道的左焦点重合，在控温装置上设定要加热的温度，并开启加热装置对样品和标准黑体同时进行加热；（2）在椭圆轨道的外侧调整步进电机A至待测角度θ方向，该角度θ为步进电机A所在椭圆轨道的位置与椭圆左焦点的连线与Y轴的夹角，反射镜A的镜面与椭圆轨道的内壁相切，椭圆轨道的方程为，a＞0，b＞0，椭圆轨道上反射镜A和椭圆轨道内壁的切点坐标为（x，y），样品表面中心发出的辐射光和x轴成α角，经椭圆轨道上反射镜A反射后到达右焦点处的辐射光与x轴成β角，右焦点处的反射镜B和其所在的焦点左侧x轴成γ角；（3）根据计算得到的γ角调整步进电机B的转轴使反射镜B的镜面与焦点左侧的x轴呈γ角；（4）辐射光依次经过反射镜B和抛物面反射镜后到达探测装置，该探测装置测量样品的光谱辐射能量值；（5）通过电动位移平台调节加热及控温装置，使标准黑体的孔径中心与椭圆轨道的左焦点重合，直接测量标准黑体的光谱辐射能量值，两次侧得的辐射能量值之比即可计算出角度θ方向的样品方向光谱发射率。

2.根据权利要求1所述的连续测量材料方向光谱发射率的方法，其特征在于：所述的角度θ的范围为0°-85°。