CN105319239A - 一种材料极化方向发射率测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种材料极化方向发射率测量装置，该装置利用平行和垂直于出射面的偏振片将辐射光分为P光和S光，再利用1/2波片让P光旋转90度变成电矢量振动方向与S光一致的线偏振光，旋转后的P光和未旋转的S光组成交变光信号被探测装置测量，该装置能实时测量P方向和S方向的极化发射率，P光和S光传输相同的光路，具有相同的衰减，测量精度高，响应速度快，灵活可调，对测量材料不同方向的极化辐射特性具有重要意义。

Description

一种材料极化方向发射率测量装置
技术领域
本发明属于材料发射率测量装置技术领域，具体涉及一种材料极化方向发射率测量装置。
背景技术
发射率是一个表征材料辐射特性的重要参数，在红外探测、遥感和辐射测温等领域都有着重要的应用。但发射率容易受温度、波长、表面粗糙度以及表面氧化等因素的影响。例如，工业上用辐射测温仪测量金属材料的表面温度时，金属的氧化会导致发射率发生很大变化，影响辐射测温的精度。相比法向光谱发射率，材料的极化方向发射率具有一些特殊性质，可以应用于表面温度的实时测量。然而目前测量极化方向发射率的装置并不多，性能和精度也有待提高。针对现有极化发射率测量装置的局限性，设计了一种精确测量材料极化方向发射率的装置。
目前极化发射率测量装置一般可以分为两种：一种是通过旋转偏振片得到与出射面平行的P光和与出射面垂直的S光，利用镜面反射或者光纤将极化的辐射信号聚焦到探测器的窗口。这种方法得到的P和S辐射信号传输时由于振动面不同会具有不同的损耗和散射，得出的P极化和S极化发射率不具有可比性。另一种是利用一个偏振立方将辐射光分为P光和S光，使用两根光纤和两个探测器分别测量P、S辐射光信号。这样的P和S辐射光信号在光纤内传输时振动面不同，会产生不同的衰减，而且两根光纤有着不完全一样的耦合效率，使用的两个探测器也具有不完全相同的响应，从而产生较大的测量误差。
发明内容
本发明针对上述装置的局限性，依据1/2波片的性质，设计了一种材料极化方向发射率测量装置，该装置利用平行和垂直于出射面的偏振片将辐射光分为P光和S光，再利用1/2波片让P光旋转90度变成电矢量振动方向与S光一致的线偏振光，旋转后的P光和未旋转的S光组成交变光信号被探测装置测量，该装置能实时测量P方向和S方向的极化发射率，P光和S光传输相同的光路，具有相同的衰减，测量精度高，响应速度快，灵活可调，对测量材料不同方向的极化辐射特性具有重要意义。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种材料极化方向发射率测量装置，其特征在于包括通过控制步进电机移动的黑体炉和样品炉，样品炉上装有样品，黑体炉的一侧设有与黑体炉相对的红外辐射光纤探头，通过控制步进电机移动黑体炉和样品炉实现黑体和样品处于测量焦点的位置，红外辐射光纤探头通过连接臂固定有旋转步进电机，该旋转步进电机的转轴上固定有起偏立方，起偏立方的侧面中心与红外辐射光纤探头的探测方向相对，起偏立方的四个侧面依次为1/2波片、第一偏振片、第二偏振片和补偿片，其中第一偏振片与第二偏振片为起偏方向相互垂直的相同的偏振片，补偿片与1/2波片具有相同的透过率，红外辐射光纤探头设置于水平弧形轨道上，该水平弧形轨道是以测量焦点为圆心、以红外辐射光纤探头与测量焦点的距离为半径的1/4圆形轨道，红外辐射光纤探头通过光纤依次与探测器、锁相放大器和处理器相连。
本发明所述的材料极化方向发射率测量装置的控制方法包括以下步骤：
（1）控制步进电机移动黑体炉使黑体放置于测量焦点上，测量黑体法向的P极化和S极化辐射信号EPbb和ESbb；
（2）控制步进电机移动样品炉使样品放置于测量焦点上，测量不同方向样品的P极化和S极化辐射信号EPs和ESs；
（3）由处理器利用公式和公式得到样品不同方向的极化发射率和。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、该极化方向发射率测量装置计算最后得到的P光和S光具有相同的衰减，并且共用一套探测和放大装置，具有相同的响应，测量精度高；
2、该装置能实时测得P方向和S方向的极化发射率；
3、该装置使用一根光纤，灵活可调，方便测量材料不同方向的极化性质；
4、该装置得到的是交流信号，方便使用锁相放大器对信号进行放大，提高了测量精度。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中起偏立方的结构示意图；
图3是辐射信号穿过第二偏振片和1/2波片时的辐射信号图。
图中：1、步进电机，2、样品炉，3、黑体炉，4、起偏立方，5、旋转步进电机，6、红外辐射光纤探头，7、光纤，8、弧形轨道。
具体实施方式
结合附图详细描述本发明的具体内容。一种材料极化方向发射率测量装置，包括通过控制步进电机1移动的黑体炉3和样品炉2，样品炉2上装有样品，黑体炉3的一侧设有与黑体炉3相对的红外辐射光纤探头6，通过控制步进电机1移动黑体炉3和样品炉2实现黑体和样品处于测量焦点的位置，红外辐射光纤探头6通过连接臂固定有旋转步进电机5，该旋转步进电机5转轴上固定有起偏立方4，起偏立方4的侧面中心与红外辐射光纤探头6的探测方向相对，起偏立方4的四个侧面依次为1/2波片、第一偏振片、第二偏振片和补偿片，其中第一偏振片与第二偏振片为起偏方向相互垂直的相同的偏振片，补偿片与1/2波片具有相同的透过率，红外辐射光纤探头6设置于水平弧形轨道8上，该弧形轨道8是以测量焦点为圆心、以红外辐射光纤探头6与测量焦点的距离为半径的1/4圆形轨道，红外辐射光纤探头6通过光纤依次与探测器、锁相放大器和处理器相连。
本发明中设计的起偏立方如图2所示，起偏立方主要由四个侧面组成，其中侧面1为1/2波片，侧面2和侧面3分别为第一偏振片和第二偏振片，第一偏振片与第二偏振片相同但起偏方向相互垂直，侧面4为与1/2波片具有相同透过率的补偿片。原理为：当辐射信号穿过第二偏振片和1/2波片时，如图3所示，自然光通过偏振片变为偏振光（P光），得到的线偏振光经过1/2波片偏转90度变成电矢量振动方向与S光相同的线偏振光；当辐射信号穿过第一偏振片和补偿片时，经过第一偏振片得到振动方向垂直向里的线偏振光（S光），经过补偿镜片后振动方向不改变；最终得到的线偏振光振动方向一致，在光纤内传输时光路相同，振动方向相同，具有同样的耦合效率和衰减。当辐射信号先经过1/2波片和补偿片再起偏时，最终得到的P光和S光振动方向不一致，传输时的衰减也不一致。所以在计算发射率时有效的辐射信号只有先起偏（即经过第一偏振片和第二偏振片），再经过1/2波片和补偿片的信号。
旋转起偏立方时，最后得到的是P、S的交变光信号，经探测器转换成交变电信号后，使用锁相放大器放大信号，最终由处理器根据测得的黑体和样品的辐射信号算出材料的极化方向发射率。
P极化：（1）
S极化：（2）
以上显示和描述了本发明的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围。

Claims (2)

1.一种材料极化方向发射率测量装置，其特征在于包括通过控制步进电机移动的黑体炉和样品炉，样品炉上装有样品，黑体炉的一侧设有与黑体炉相对的红外辐射光纤探头，通过控制步进电机移动黑体炉和样品炉实现黑体和样品处于测量焦点的位置，红外辐射光纤探头通过连接臂固定有旋转步进电机，该旋转步进电机的转轴上固定有起偏立方，起偏立方的侧面中心与红外辐射光纤探头的探测方向相对，起偏立方的四个侧面依次为1/2波片、第一偏振片、第二偏振片和补偿片，其中第一偏振片与第二偏振片为起偏方向相互垂直的相同的偏振片，补偿片与1/2波片具有相同的透过率，红外辐射光纤探头设置于水平弧形轨道上，该水平弧形轨道是以测量焦点为圆心、以红外辐射光纤探头与测量焦点的距离为半径的1/4圆形轨道，红外辐射光纤探头通过光纤依次与探测器、锁相放大器和处理器相连。
2.一种权利要求1所述的材料极化方向发射率测量装置的控制方法，其特征在于具体步骤为：（1）控制步进电机移动黑体炉使黑体放置于测量焦点上，测量黑体法向的P极化和S极化辐射信号EPbb和ESbb；（2）控制步进电机移动样品炉使样品放置于测量焦点上，测量不同方向样品的P极化和S极化辐射信号EPs和ESs；（3）由处理器利用公式和公式得到样品不同方向的极化发射率和。
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