CN108007579A - 超高温材料光谱发射率测量系统及其使用方法 - Google Patents
超高温材料光谱发射率测量系统及其使用方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种超高温材料光谱发射率测量系统及其使用方法，测量系统包括红外光谱辐射测量设备、计算机控制系统、黑体辐射源、温度控制系统和辅助光路系统；温度控制系统上设置样品槽和黑体腔孔，将样品槽内的样品加热到设定的温度，计算机控制系统控制辅助光路系统，将此时样品的辐射和放在黑体腔孔内的黑体辐射源的辐射反射至红外光谱辐射测量设备，进行辐射测量，通过计算机控制系统计算得到样品的光谱发射率。本发明可以通过一体化的设计实现超高温材料的光谱发射率测量，与此同时，采用降低背景辐射技术极大地提高被测样品的光谱发射率测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及光电领域，尤其涉及一种超高温材料光谱发射率测量系统及其使用方法。
背景技术
光谱发射率是表征材料表面光谱辐射特性的重要热物性参数。超高温材料光谱发射率测量系统是采用的方法是：定义法测量目标温度为150℃～1000℃情况下的红外光谱发射率，即利用光谱测量设备直接测量样品和标准黑体的辐射亮度在探测仪器中的响应值。通过实际试验测试，在操作上，在辐射传输方向上目标的光谱辐射亮度是很难被直接测量，且其值有一定的误差。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷，本发明提供一种超高温材料光谱发射率测量系统及其使用方法，极大地提高目标光谱发射率测量精度。
本发明提供的超高温材料光谱发射率测量系统，其改进之处在于，所述测量系统包括红外光谱辐射测量设备、计算机控制系统、黑体辐射源、温度控制系统和辅助光路系统；
所述温度控制系统上设置样品槽和黑体腔孔，将所述样品槽内的样品加热到设定的温度，所述计算机控制系统控制所述辅助光路系统，将此时样品的辐射和放在所述黑体腔孔内的黑体辐射源的辐射反射至所述红外光谱辐射测量设备，进行辐射测量，在所述黑体腔孔腔口的有效发射率小于1时，通过所述计算机控制系统计算得到样品的光谱发射率。
优选的，所述红外光谱辐射测量设备包括光谱仪或者积分辐射计；
所述温度控制系统包括温度控制器，加热装置、黑体腔孔和样品槽；所述加热装置设置在所述样品槽底部，通过所述温度控制器对所述样品槽内的样品加热；
所述辅助光路系统包括离轴抛物面反射镜、支撑杆、一维运动导轨和导轨驱动装置；所述一维运动导轨与地面平行设置，所述支撑杆上安装所述导轨驱动装置后沿竖直方向设置，其一端滑动设置在导轨上，所述反射镜固定设置在所述支撑杆上。
较优选的，所述黑体辐射源的辐射和被测样品的发射辐射能量通过90°离轴抛物面反射镜反射进入所述红外光谱辐射测量设备；
所述计算机控制系统发送定点运动指令，所述导轨驱动装置驱动所述支撑杆运动，实现测量黑体辐射源光路和测量样品光路之间的相互转换。
较优选的，所述样品槽为密封空间。
较优选的，设置所述黑体腔孔时，其腔口的有效发射率公式为：
式中，ε0为腔口发射率；α0为腔口吸收率；F(x,Ω)为角度因子；ρ为被测样品反射率；A为腔孔面积；St为腔壁面积；R为腔口半径；L为腔孔深度；g为径长比。
本发明基于上述所述的测量系统的使用方法，其改进之处在于，所述方法包括如下步骤：
(1)设置黑体腔孔和样品槽，将样品放置在温度控制系统的样品槽内，所述温度控制系统设定并控制黑体腔孔和被测样品的加热温度及其工作模式；
(2)温度控制系统对样品加热到设定的温度；
(3)将所述样品槽的密封盖打开；
(4)计算机控制系统控制辅助光路系统，将加热后样品的辐射和放在所述黑体腔孔内的黑体辐射源的辐射反射至红外光谱辐射测量设备，进行辐射测量；
(5)判断所述黑体腔孔腔口的有效发射率是否小于1，是则进入步骤(6)，否则返回步骤(1)对所述黑体腔孔进行修改；
(6)所述计算机控制系统计算样品的光谱发射率。
优选的，步骤(6)计算样品的光谱发射率的表达式为：
式中，εS(θt,λ)为在辐射传输方向上样品的光谱发射率；LS(θt,TS,λ)为在辐射传输方向上样品的光谱辐射亮度；Lbb(TS,λ)为在辐射传输方向上黑体辐射源的光谱辐射亮度；θt为样品法向方向与测量方向的夹角，Δλ为测量光谱范围，TS为被测样品温度，S为被测样品，Tbb为黑体纬度，bb表示黑体；测量系统是同温度下的测量系统，Tbb＝Ts；其中：
Lbb(h,θ,λ)＝Lbb(TS,λ)+εDWR(θb,λ)LDWR(λ)；
LS(h,θ,λ)＝ε(θt,λ)LS(θt,TS,λ)+εDWR(θb,λ)LDWR(λ)；
式中，Lbb(h,θ,λ)为探测得到黑体辐射源光路的光谱辐射亮度；Lbb(TS,λ)为在辐射传输方向上黑体辐射源的光谱辐射亮度；ε(θb,λ)为已知背景光谱发射率；LDWR(λ)为背景辐射的光谱辐射亮度；LS(h,θ,λ)为探测得到样品的光谱辐射亮度；LS(θt,TS,λ)为在辐射传输方向上样品的光谱辐射亮度；εDWR(θb,λ)为背景发射率；θb为黑体法向方向与测量方向的夹角。
较优选的，当所述温度控制系统为光谱仪时，在光谱仪内加入液氮。
较优选的，温度控制系统通过温度控制器面板上的显示面板显示实时温度以及设定的温度。
较优选的，所述黑体辐射源封装在冷却壳体内；
所述冷却壳体采用水冷循环制冷的形式，降低背景辐射亮度。
较优选的，温度控制系统的温度稳定度控制在≤0.1℃/10min。
较优选的，计算机控制系统有自动报错功能，当黑体腔孔的腔口有效发射率大于1时，报警。
本发明的技术方案中，在样品进行加热后，背景辐射相对于目标自身辐射来说，光谱辐射亮度很小，甚至可以忽略不计，这样就可以极大地提高目标光谱发射率测量精度。且温度控制系统的温度稳定度控制在≤0.1℃/10min，保证了温度控制系统的温度稳定性，确保每一个测量周期内是同温度测量，采用离轴反射的光路设计反射，使得汇聚光斑直径不大于3毫米，可以保证测量精度；且系统整体采用了一体化的设计原则，外围的保护壳体可以对全系统起到防护和支撑作用，便于辅助光路调整和实验的实施。
附图说明
图1为本发明实施例的超高温材料光谱发射率测量系统的过程示意图；
图2为本发明实施例的黑体腔孔的原理示意图；
图3为本发明实施例的超高温材料光谱发射率测量系统的使用方法流程图；
图4为本发明实施例的不同温度下样品红外光谱发射率测试结果，图中表示测量温度为200℃时的测量结果曲线，-----表示测量温度为400℃时的测量结果曲线，表示测量温度为600℃时的测量结果曲线，表示测量温度为800℃时的测量结果曲线，表示测量温度为1000℃时的测量结果曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。
本实施例提供的超高温材料光谱发射率测量系统，包括红外光谱辐射测量设备、计算机控制系统、黑体辐射源、温度控制系统和辅助光路系统；温度控制系统上设置样品槽和黑体腔孔，其过程图如图1所示，将密封空间的样品槽内的样品加热到设定的温度，所述计算机控制系统控制所述辅助光路系统，将此时样品的辐射和放在所述黑体腔孔内的黑体辐射源的辐射反射至所述红外光谱辐射测量设备，进行辐射测量，在所述黑体腔孔腔口的有效发射率小于1时，通过所述计算机控制系统通过两者的辐射比，计算得到样品的光谱发射率。
其中，红外光谱辐射测量设备包括光谱仪或者积分辐射计；
温度控制系统包括温度控制器，加热装置、黑体腔孔和样品槽；所述加热装置设置在所述样品槽底部，通过所述温度控制器对所述样品槽内的样品加热；
所述辅助光路系统包括离轴抛物面反射镜、支撑杆、一维运动导轨和导轨驱动装置；所述一维运动导轨与地面平行设置，所述支撑杆上安装所述导轨驱动装置后沿竖直方向设置，其一端滑动设置在导轨上，所述反射镜固定设置在所述支撑杆上。计算机控制系统发送定点运动指令，所述导轨驱动装置驱动所述支撑杆运动，实现测量黑体辐射源光路和测量样品光路之间的相互转换。所述黑体辐射源的辐射和被测样品的发射辐射能量通过90°离轴抛物面反射镜反射进入所述红外光谱辐射测量设备；红外光谱辐射计采集相应的辐射能量，经过实时处理，可以得到测试结果的定量显示和存储。
本实施例为了确保黑体辐射源接近于理想黑体，需在黑体腔孔进行设置，其腔孔截面示意图如图2所示，腔口的有效发射率公式为：
式中，ε0为腔口发射率；α0为腔口吸收率；F(x,Ω)为角度因子；ρ为被测样品反射率；A为腔孔面积；St为腔壁面积；R为腔口半径；L为腔孔深度；g为径长比。
通过计算，所设计的黑体腔孔径长比为：
R/L＝1/6；
腔壁反射率为ρ＝0.26，代入上述公式，计算得到腔口的发射率为：
证明其设计可以使黑体辐射源接近于理想黑体。
在此基础上，本实施例提供的使用方法，其流程图如图3所示，包括如下步骤：
(1)设置黑体腔孔和样品槽，将样品放置在温度控制系统的样品槽内，所述温度控制系统设定并控制黑体腔孔和被测样品的加热温度及其工作模式；工作模式包括连续控温模式、定点控温模式和控温模式保持模式。需要注意的是，若温度控制系统使用光谱仪，则需在光谱仪内加入液氮；
(2)温度控制系统通过温度控制器面板上的显示面板显示实时温度以及设定的温度，对样品加热到设定的温度；
(3)快速将所述样品槽的密封盖打开；
(4)计算机控制系统控制辅助光路系统，将加热后样品的辐射和放在所述黑体腔孔内的黑体辐射源的辐射反射至红外光谱辐射测量设备，辐射计采集相应的辐射能量，经过实时处理，得到测试结果的显示和存储。
进行辐射测量时，所述黑体辐射源的辐射和被测样品的发射辐射能量通过90°离轴抛物面反射镜反射进入所述红外光谱辐射测量设备，且为了提高测量精度，黑体辐射光路和样品辐射光路设计成不同的两个辐射路径，通过光路瞬时切换，实现一个测量周期两次测量过程，避免两者辐射能量的相互干涉，影响测量结果。计算机控制系统在对辅助光路系统进行控制时，其调整方式：
调整方式：90°离轴反射；
母焦距：88.9mm；
有效焦距：177.8mm；
抛物镜直径：Φ76.2mm；
(5)判断所述黑体腔孔腔口的有效发射率是否小于1，是则进入步骤(6)，否则返回步骤(1)对所述黑体腔孔进行修改；
(6)所述计算机控制系统通过两者的辐射比，计算得到样品的光谱发射率，其表达式为：
式中，εS(θt,λ)为在辐射传输方向上样品的光谱发射率；LS(θt,TS,λ)为在辐射传输方向上样品的光谱辐射亮度；Lbb(TS,λ)为在辐射传输方向上黑体辐射源的光谱辐射亮度；θt为样品法向方向与测量方向的夹角，Δλ为测量光谱范围，TS为被测样品温度，S表示被测样品，Tbb为黑体纬度，bb表示为黑体；由于测量系统是同温测量系统，所以，Tbb＝Ts，其中：
Lbb(h,θ,λ)＝Lbb(TS,λ)+εDWR(θb,λ)LDWR(λ)；
LS(h,θ,λ)＝ε(θt,λ)LS(θt,TS,λ)+εDWR(θb,λ)LDWR(λ)；
式中，Lbb(h,θ,λ)为探测得到黑体辐射源光路的光谱辐射亮度；Lbb(TS,λ)为在辐射传输方向上黑体辐射源的光谱辐射亮度；ε(θb,λ)为已知背景光谱发射率；LDWR(λ)为背景辐射的光谱辐射亮度；LS(h,θ,λ)为探测得到样品的光谱辐射亮度；LS(θt,TS,λ)为在辐射传输方向上样品的光谱辐射亮度；εDWR(θb,λ)为背景发射率；θb为黑体法向方向与测量方向的夹角。
优选的，为了更进一步提高测量精度，将测量系统封装在冷却壳体内，冷却壳体可采用水冷等方式实现较弱的辐射，作为样品辐射和黑体辐射的基准，在减少背景辐射影响的情况下实现更高精度的测量。
按照本实施例的系统和方法，先后多次对不同温度条件下的不同试样进行了测试，测试结果如图4所示，测量结果表明，其可以实现多种类型材料在超高温条件下(150℃～1000℃)光谱发射率的测量，测量不确定度满足实验室条件下的技术需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.超高温材料光谱发射率测量系统，其特征在于，所述测量系统包括红外光谱辐射测量设备、计算机控制系统、黑体辐射源、温度控制系统和辅助光路系统；
所述温度控制系统上设置样品槽和黑体腔孔，将所述样品槽内的样品加热到设定的温度，所述计算机控制系统控制所述辅助光路系统，将此时样品的辐射和放在所述黑体腔孔内的黑体辐射源的辐射反射至所述红外光谱辐射测量设备，进行辐射测量，在所述黑体腔孔腔口的有效发射率小于1时，通过所述计算机控制系统计算得到样品的光谱发射率。
2.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述红外光谱辐射测量设备包括光谱仪或者积分辐射计；
所述温度控制系统包括温度控制器，加热装置、黑体腔孔和样品槽；所述加热装置设置在所述样品槽底部，通过所述温度控制器对所述样品槽内的样品加热；
所述辅助光路系统包括离轴抛物面反射镜、支撑杆、一维运动导轨和导轨驱动装置；所述一维运动导轨与地面平行设置，所述支撑杆上安装所述导轨驱动装置后沿竖直方向设置，其一端滑动设置在导轨上，所述反射镜固定设置在所述支撑杆上。
3.如权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述黑体辐射源的辐射和被测样品的发射辐射能量通过90°离轴抛物面反射镜反射进入所述红外光谱辐射测量设备；
所述计算机控制系统发送定点运动指令，所述导轨驱动装置驱动所述支撑杆运动，实现测量黑体辐射源光路和测量样品光路之间的相互转换。
4.如权利要求3所述的测量系统，其特征在于，所述样品槽为密封空间。
5.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，设置所述黑体腔孔时，其腔口的有效发射率公式为：
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式中，ε0为腔口发射率；α0为腔口吸收率；F(x,Ω)为角度因子；ρ为被测样品反射率；A为腔孔面积；St为腔壁面积；R为腔口半径；L为腔孔深度；g为径长比。
6.如权利要求1-5任意一项所述测量系统的使用方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)设置黑体腔孔和样品槽，将样品放置在温度控制系统的样品槽内，所述温度控制系统设定并控制黑体腔孔和被测样品的加热温度及其工作模式；
(2)温度控制系统对样品加热到设定的温度；
(3)将所述样品槽的密封盖打开；
(4)计算机控制系统控制辅助光路系统，将加热后样品的辐射和放在所述黑体腔孔内的黑体辐射源的辐射反射至红外光谱辐射测量设备，进行辐射测量；
(5)判断所述黑体腔孔腔口的有效发射率是否小于1，是则进入步骤(6)，否则返回步骤(1)对所述黑体腔孔进行修改；
(6)所述计算机控制系统计算样品的光谱发射率。
7.如权利要求6所述的使用方法，其特征在于，步骤(6)计算样品的光谱发射率的表达式为：
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式中，εS(θt,λ)为在辐射传输方向上样品的光谱发射率；LS(θt,TS,λ)为在辐射传输方向上样品的光谱辐射亮度；Lbb(TS,λ)为在辐射传输方向上黑体辐射源的光谱辐射亮度；θt为样品法向方向与测量方向的夹角，Δλ为测量光谱范围，TS为被测样品温度，S为被测样品，Tbb为黑体纬度，bb表示黑体；Tbb＝Ts；其中：
Lbb(h,θ,λ)＝Lbb(TS,λ)+εDWR(θb,λ)LDWR(λ)；
LS(h,θ,λ)＝ε(θt,λ)LS(θt,TS,λ)+εDWR(θb,λ)LDWR(λ)；
式中，Lbb(h,θ,λ)为探测得到黑体辐射源光路的光谱辐射亮度；Lbb(TS,λ)为在辐射传输方向上黑体辐射源的光谱辐射亮度；ε(θb,λ)为已知背景光谱发射率；LDWR(λ)为背景辐射的光谱辐射亮度；LS(h,θ,λ)为探测得到样品的光谱辐射亮度；LS(θt,TS,λ)为在辐射传输方向上样品的光谱辐射亮度；εDWR(θb,λ)为背景发射率；θb为黑体法向方向与测量方向的夹角。
8.如权利要求6所述的使用方法，其特征在于，当所述温度控制系统为光谱仪时，在光谱仪内加入液氮。
9.如权利要求8所述的使用方法，其特征在于，温度控制系统通过温度控制器面板上的显示面板显示实时温度以及设定的温度。
10.如权利要求6所述的使用方法，其特征在于，所述黑体辐射源封装在冷却壳体内；
所述冷却壳体采用水冷循环制冷的形式，降低背景辐射亮度。
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