CN107101994B - 一种不透明材料的光谱发射率测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种不透明材料的光谱发射率测量装置，适用于测量金属、非金属材料表面法向光谱发射率，属于材料热物性参数技术领域。该装置包括环控箱、样品加热装置、黑体参考装置、傅里叶光谱仪、光栅光谱仪、平面镜、平移台、球面镜、旋转台、冷却水循环系统、抽真空系统和上位机。本发明实现了不透明材料法向光谱发射率的测量，该装置在真空和恒温条件下实现测量，减小了环境辐射和CO₂、H₂O等气体对测量结果的影响，提高了测量的准确度，同时实现两个光谱仪同时测量，拓宽了测量的波段范围。

Description

一种不透明材料的光谱发射率测量装置

技术领域

本发明涉及一种不透明材料的光谱发射率测量装置，适用于测量金属、非金属材料表面法向光谱发射率，属于材料热物性参数技术领域。

背景技术

材料光谱发射率是表征材料表面辐射特性的物理量，是重要的热物性参数之一。材料发射率的测量在现代科学技术和工业生产中扮演着越来越重要的角色，为了准确的测量材料表面的温度，必须要知道被测表面发射率。此外，在武器装备研制中，评价材料隐身性能的重要指标之一便是其光谱发射率特性。材料光谱发射率与材料的组分、温度、波长范围、表面状态等诸多因素复杂相关，对于特定的测量实例，已有文献中的相关光谱发射率数据并不能完全满足应用需求。

国内外从事热测量科学的学者对材料法向光谱发射率的相关测量技术开展了许多研究工作。根据测试原理的不同，发射率测量方法可分为量热法、反射法、能量法等。目前的材料发射率的测量，由于受环境辐射、CO₂和H₂O等气体吸收的影响，造成发射率测量的不准确性；受装置的影响，测量波段范围有限。本发明针对以上问题，设计了一种光谱发射率测量装置，对于材料光谱发射率的测量具有重要的实际意义。

发明内容

本发明的目的是为了实现不透明材料在真空和恒温条件下的发射率测量，同时实现多波段和高低温条件下的测量，而提出了一种不透明材料的光谱发射率测量装置。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的。

一种不透明材料的光谱发射率测量装置，包括：环控箱、样品加热装置、黑体参考装置、傅里叶光谱仪、光栅光谱仪、平面镜、平移台、球面镜、旋转台、冷却水循环系统、抽真空系统和上位机。

连接关系为：平面镜、平移台、球面镜、旋转台位于环控箱中；平面镜固定在平移台上，通过平面镜的移动，切换傅里叶光谱仪和光栅光谱仪，完成中红外、近红外和可见光波段之间的测量；球面镜固定在旋转台上，通过旋转台的转动，切换样品加热装置和黑体参考装置之间的能量测量；样品加热装置用来加热样品，黑体参考装置提供发射率测量的参考信号；平移台、旋转台通过位移控制器连接上位机，傅里叶光谱仪、光栅光谱仪连接上位机，冷却水循环系统通过水管与环控箱连接，抽真空系统通过管路与环控箱连接。

所述平移台、旋转台通过位移控制器连接上位机，通过上位机控制平移台和旋转台的移动。

所述样品加热装置、黑体参考装置、平面镜、球面镜、光栅光谱仪光学镜头、傅里叶光谱仪光学镜头同轴同高安装；将球面镜倾斜固定在旋转台上，球面镜的中心正对黑体参考装置，通过球面镜将黑体参考装置的光反射到傅里叶光谱仪光学镜头中；上位机控制旋转台旋转，将球面镜的中心正对样品加热装置，通过球面镜将样品加热装置的光反射到傅里叶光谱仪光学镜头中，球面镜的旋转完成样品加热装置和黑体参考装置之间的切换；移动平移台，将平面镜的中心正对光栅光谱仪光学镜头，通过平面镜的光路转换，完成光栅光谱仪的光谱测量，移动平移台，保证平面镜不遮挡光路，完成傅里叶光谱仪的光谱测量，平面镜的切换完成傅里叶光谱仪和光栅光谱仪的测量，实现可见光、近红外和中红外波段的测量。

所述样品加热装置采用分体或者一体式结构，利用温度传感器控制温度；样品固定在样品加热装置上，样品的表面温度由热电偶、铂电阻或者比色测温仪测量，样品表面温度根据样品材料的不同而不同，具体温度以实际的测试温度为准。

所述黑体参考装置采用分体或者一体式结构，利用温度传感器控制温度，黑体参考装置提供发射率测量的参考信号。

所述光栅光谱仪通过光学镜头测量光信号，光栅光谱仪和光学镜头通过光纤连接，测量可见光和近红外波段的光谱信号。

所述傅里叶光谱仪是傅里叶红外光谱仪，测量中红外波段的光谱信号。

所述傅里叶光谱仪、光栅光谱仪连接上位机，上位机接收光谱仪采集到的电信号。

所述冷却水循环系统通过水管与环控箱连接，将环控箱保持恒温环境，降低环境辐射对测量结果的影响，减小发射率测量结果的不确定度。

所述抽真空系统通过管路与环控箱连接，保证环控箱腔内的真空度不低于10^-3Pa，避免测量过程中CO₂和H₂O等气体的吸收，提高测量的准确度。

一种不透明材料的光谱发射率测量装置的工作过程如下：

步骤1：连接发射率测量装置各器件，接通位移控制器、傅里叶光谱仪、光栅光谱仪、冷却水循环系统和抽真空系统，其中傅里叶光谱仪和光栅光谱仪需开机预热；

步骤2：启动冷却水循环系统和抽真空系统，使得环控箱腔内的真空度在10^-3Pa、温度保持恒温环境；

步骤3：将样品安装在样品加热装置上，待测样品加热到T_s。待温度稳定后，样品表面温度通过热电偶、铂电阻或者比色测温仪测量，通过平移台的切换，完成傅里叶光谱仪和光栅光谱仪的数据采集；

步骤4：将黑体参考装置加热到T₁。待温度稳定后，控制旋转台，将光路切换到黑体参考装置处，通过平移台的切换，完成傅里叶光谱仪和光栅光谱仪的数据采集；

步骤5：用同样方法，分别采集黑体参考装置和样品不同温度点下的光谱信号；

步骤6：上位机根据接收到的光谱仪的测量值，计算得到待测样品的光谱发射率。

所述待测样品的光谱发射率的计算方法如下：

步骤1，建立公式：

V_b(υ,T₁)＝R(υ)L_b(υ,T₁)+S(υ)

V_b(υ,T₂)＝R(υ)L_b(υ,T₂)+S(υ) (1)

其中，ν是波数；V_b(ν，T₁)和V_b(ν，T₂)是高温黑体参考装置在温度T₁和T₂下光谱仪采集的信号，L_b(ν，T)是高温黑体参考装置在T温度下的光谱辐射亮度，R(ν)是光谱响应函数，S(ν)是仪器背景函数。

步骤2，通过解公式(1)得到光谱响应函数R(ν)和仪器背景函数S(ν)。

步骤3，通过公式(2)得到待测样品的光谱辐射亮度：

V_s(υ,T_s)＝R(υ)L_s(υ,T_s)+S(υ) (2)

其中V_s(ν，T_s)是待测样品在T_s温度下光谱仪采集的信号，L_s(ν，T_s)是待测样品在T_s温度下的光谱辐射亮度。

步骤4，通过公式(2)得到待测样品的光谱发射率：

L_s(υ,T_s)＝ε_sL_b(υ,T_s)+(1-ε_s)L(υ,T_e) (3)

其中，L_s(ν，T_s)是待测样品在T_s温度下的光谱辐射亮度，L_b(ν，T)是高温黑体参考装置在T_s温度下的光谱辐射亮度，为已知量；T_e为环境温度；L(ν，T_e)为环境光谱辐射亮度，为已知量；ε_s是待测样品的发射率。

有益效果

本发明实现了不透明材料法向光谱发射率的测量，该装置在真空和恒温条件下实现测量，减小了环境辐射和CO₂、H₂O等气体对测量结果的影响，提高了测量的准确度，同时实现两个光谱仪同时测量，拓宽了测量的波段范围。

附图说明

图1为本发明一种不透明材料的光谱发射率测量装置的示意图。

附图标记：1-环控箱、2-样品加热装置、3-黑体参考装置、4-傅里叶光谱仪、5-光栅光谱仪、6-平面镜、7-平移台、8-球面镜、9-旋转台、10-冷却水循环系统、11-抽真空系统、12-上位机、13-样品、14-样品加热装置加热电源、15-温度传感器、16-位移控制器、17-黑体参考装置加热电源、18-温度传感器、19-光栅光谱仪光学镜头、20-光纤、21-水管、22-气管管路、23-水冷法兰、24-石英窗口、25-KBr窗口、26-位移台、27-比色测温仪、28-傅里叶光谱仪光学镜头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行进一步的说明。

实施例

800℃～2500℃的一种不透明材料的光谱发射率测量装置，如图1所示，包括：环控箱1、样品加热装置2、黑体参考装置3、傅里叶光谱仪4、光栅光谱仪5、平面镜6、平移台7、球面镜8、旋转台9、冷却水循环系统10、抽真空系统11和上位机12。

环控箱1是为材料发射率测量提供真空和恒温环境，抽真空系统11通过气管管路22和环控箱1连接，保证环控箱1腔内的真空度不低于10^-3Pa，避免测量过程中CO₂和H₂O等气体的吸收，提高测量的准确度；冷却水循环系统10通过水管21与环控箱1连接，将环控箱1保持恒温环境，降低环境辐射对测量结果的影响，减小发射率测量结果的不确定度。环控箱1通过水冷法兰23密封，水冷法兰23的作用：①密封环控箱1；②保证法兰处和腔体内温度一致。测量位置处水冷法兰安装KBr窗口25，KBr窗口25的透过波长是0.25μm～26μm；观察位置处法兰安装石英窗口24，通过观察窗口观察环控箱内各部件的工作情况。

平面镜6、平移台7、球面镜8、旋转台9位于环控箱1中；平面镜6固定在平移台7上，通过平面镜6的移动，切换傅里叶光谱仪4和光栅光谱仪5，完成中红外、近红外和可见光波段之间的测量，其中傅里叶光谱仪4的光谱信号通过傅里叶光谱仪光学镜头28测得，光栅光谱仪5的光谱信号通过光栅光谱仪光学镜头19测得，光栅光谱仪光学镜头19和光栅光谱仪5之间通过光纤20连接；球面镜8固定在旋转台9上，通过旋转台9的转动，切换样品加热装置2和黑体参考装置3之间的能量测量，平移台7和旋转台9的移动通过位移控制器16和上位机12连接实现。

样品加热装置2、黑体参考装置3、平面镜6、球面镜8、光栅光谱仪光学镜头19、傅里叶光谱仪光学镜头28同轴同高安装；将球面镜8倾斜45°固定在旋转台上，球面镜8的中心正对黑体参考装置3，通过球面镜8将黑体参考装置3的光反射到傅里叶光谱仪光学镜头28中；上位机12控制旋转台9旋转90°，将球面镜8的中心正对样品加热装置2，通过球面镜8将样品加热装置2的光反射到傅里叶光谱仪光学镜头28中，球面镜8的旋转完成样品加热装置2和黑体参考装置3之间的切换；移动平移台7，将平面镜6的中心正对光栅光谱仪光学镜头19，通过平面镜6的光路转换，完成光栅光谱仪5的光谱测量，移动平移台7，保证平面镜6不遮挡光路，完成傅里叶光谱仪4的光谱测量，平面镜6的切换完成傅里叶光谱仪4和光栅光谱仪5的测量，实现可见光、近红外和中红外波段的测量。

样品加热装置2炉体和加热装置采用分体结构，通过样品加热装置加热电源14加热，利用温度传感器15控制温度，黑体参考装置3的炉体和加热装置采用分体结构，通过加热电源17加热，利用温度传感器18控制温度，其中黑体参考装置3提供发射率测量的参考信号，其温度测量范围是800℃～2500℃；样品13固定在样品加热装置2上，样品13表面温度由比色测温仪27测量，比色测温仪27固定在位移台26上，样品加热装置2的温度测量范围是800℃～2500℃，样品13表面温度根据样品材料的不同而不同，具体实际温度以比色测温仪27的测试温度为准。

发射率测量装置的工作过程如下：

步骤1：连接发射率测量装置各器件，接通位移控制器16、傅里叶光谱仪4、光栅光谱仪5、冷却水循环系统10和抽真空系统11，其中傅里叶光谱仪4和光栅光谱仪5需开机预热半小时；

步骤2：启动冷却水循环系统10和抽真空系统11，使得环控箱1腔内的真空度在10^{- 3}Pa、温度保持恒温环境；

步骤3：将样品13安装在样品加热装置2上，待测样品加热到T_s，T_s∈[800，2500]，单位：℃。待温度稳定后，样品13表面温度通过比色测温仪27测量，通过平移台7的切换，完成傅里叶光谱仪4和光栅光谱仪5的数据采集；

步骤4：将黑体参考装置3加热到T₁，T₁∈[800，2500]，单位：℃。待温度稳定后，通过旋转台9的转动，将光路切换到黑体参考装置3处，控制平移台7，通过平移台7的切换，完成傅里叶光谱仪4和光栅光谱仪5的数据采集；

步骤5：用同样方法，分别采集黑体参考装置3和样品13三个不同温度点下的光谱信号；

步骤6：上位机12根据接收到的光谱仪的测量值，计算得到待测样品13的光谱发射率。计算待测样品13的光谱发射率的方法如下：

步骤1，建立公式：

V_b(υ,T₁)＝R(υ)L_b(υ,T₁)+S(υ)

V_b(υ,T₂)＝R(υ)L_b(υ,T₂)+S(υ) (1)

其中，λ为波长；V_b(ν，T₁)和V_b(ν，T₂)是黑体参考装置3在温度T₁和T₂下光谱仪采集的信号，L_b(ν，T)是黑体参考装置3在T温度下的光谱辐射亮度，R(ν)是光谱响应函数，S(ν)是仪器背景函数。

步骤2，通过解公式(1)得到光谱响应函数R(ν)和仪器背景函数S(ν)。

步骤3，通过公式(2)得到待测样品13的光谱辐射亮度：

V_s(υ,T_s)＝R(υ)L_s(υ,T_s)+S(υ) (2)

其中V_s(ν，T_s)是待测样品在T_s温度下光谱仪采集的信号，L_s(ν，T_s)是待测样品13在T_s温度下的光谱辐射亮度。

步骤4，通过公式(2)得到待测样品13的光谱发射率：

L_s(υ,T_s)＝ε_sL_b(υ,T_s)+(1-ε_s)L(υ,T_e) (3)

其中，L_s(ν，T_s)是待测样品13在T_s温度下的光谱辐射亮度，L_b(ν，T)是高温黑体参考装置3在T_s温度下的光谱辐射亮度，为已知量；T_e为环境温度；L(ν，T_e)为环境光谱辐射亮度，为已知量。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡事不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种不透明材料的光谱发射率测量装置，其特征在于：包括环控箱、样品加热装置、黑体参考装置、傅里叶光谱仪、光栅光谱仪、平面镜、平移台、球面镜、旋转台、冷却水循环系统、抽真空系统和上位机；

连接关系为：平面镜、平移台、球面镜、旋转台位于环控箱中；平面镜固定在平移台上，通过平面镜的移动，切换傅里叶光谱仪和光栅光谱仪，完成中红外、近红外和可见光波段之间的测量；球面镜固定在旋转台上，通过旋转台的转动，切换样品加热装置和黑体参考装置之间的能量测量；样品加热装置用来加热样品，黑体参考装置提供发射率测量的参考信号；平移台、旋转台通过位移控制器连接上位机，傅里叶光谱仪、光栅光谱仪连接上位机，冷却水循环系统通过水管与环控箱连接，抽真空系统通过管路与环控箱连接；样品加热装置、黑体参考装置、平面镜、球面镜、光栅光谱仪光学镜头、傅里叶光谱仪光学镜头同轴同高安装；控箱腔内的真空度不低于10^-3Pa，且保持恒温环境；

工作过程分为如下步骤：

步骤一，连接发射率测量装置各器件，接通位移控制器、傅里叶光谱仪、光栅光谱仪、冷却水循环系统和抽真空系统，其中傅里叶光谱仪和光栅光谱仪需开机预热；

步骤二，启动冷却水循环系统和抽真空系统，温度保持恒温环境；

步骤三，将样品安装在样品加热装置上，待测样品加热到T_s；待温度稳定后，通过平移台的切换，完成傅里叶光谱仪和光栅光谱仪的数据采集；

步骤四，将黑体参考装置加热到T₁；待温度稳定后，控制旋转台，将光路切换到黑体参考装置处，通过平移台的切换，完成傅里叶光谱仪和光栅光谱仪的数据采集；

步骤五，用同样方法，分别采集黑体参考装置和样品不同温度点下的光谱信号；

步骤六，上位机根据接收到的光谱仪的测量值，计算得到待测样品的光谱发射率。

2.根据权利要求1所述的一种不透明材料的光谱发射率测量装置，其特征在于：所述待测样品的光谱发射率的计算方法如下步骤：

步骤一，建立公式：

V_b(υ,T₁)＝R(υ)L_b(υ,T₁)+S(υ)

V_b(υ,T₂)＝R(υ)L_b(υ,T₂)+S(υ) (1)

其中，ν是波数；V_b(ν，T₁)和V_b(ν，T₂)是高温黑体参考装置在温度T₁和T₂下光谱仪采集的信号，L_b(ν，T)是高温黑体参考装置在T温度下的光谱辐射亮度，R(ν)是光谱响应函数，S(ν)是仪器背景函数；

步骤二，通过解公式(1)得到光谱响应函数R(ν)和仪器背景函数S(ν)；

步骤三，通过公式(2)得到待测样品的光谱辐射亮度：

V_s(υ,T_s)＝R(υ)L_s(υ,T_s)+S(υ) (2)

其中V_s(ν，T_s)是待测样品在T_s温度下光谱仪采集的信号，L_s(ν，T_s)是待测样品在T_s温度下的光谱辐射亮度；

步骤四，通过公式(2)得到待测样品的光谱发射率：

L_s(υ,T_s)＝ε_sL_b(υ,T_s)+(1-ε_s)L(υ,T_e) (3)

其中，Ls(ν，Ts)是待测样品在Ts温度下的光谱辐射亮度，Lb(ν，T)是高温黑体参考装置在Ts温度下的光谱辐射亮度，为已知量；Te为环境温度；L(ν，Te)为环境光谱辐射亮度，为已知量；εs是待测样品的发射率。

3.根据权利要求1所述的一种不透明材料的光谱发射率测量装置，其特征在于：所述的样品加热装置采用分体或者一体式结构。

4.根据权利要求1所述的一种不透明材料的光谱发射率测量装置，其特征在于：所述的黑体参考装置采用分体或者一体式结构。

5.根据权利要求1所述的一种不透明材料的光谱发射率测量装置，其特征在于：所述的光栅光谱仪通过光学镜头测量光信号，光栅光谱仪和光学镜头通过光纤连接。

6.根据权利要求1所述的一种不透明材料的光谱发射率测量装置，其特征在于：所述的傅里叶光谱仪是傅里叶红外光谱仪。

7.根据权利要求1所述的一种不透明材料的光谱发射率测量装置，其特征在于：所述的样品表面温度通过热电偶、铂电阻或者比色测温仪测量。