CN108037095A - 一种黑体绝对发射率的测量装置及方法 - Google Patents

一种黑体绝对发射率的测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种黑体绝对发射率的测量装置，包括量子级联激光器、红外透镜、积分球和变口径光阑；所述积分球上设置有第一窗孔和第二窗孔；所述量子级联激光器、所述红外透镜、所述第一窗孔、所述第二窗孔和所述变口径光阑依次排列，位于同一轴线上，并且所述轴线经过所述积分球的球心；黑体可拆卸地安装在所述变口径光阑上。本发明提供的黑体绝对发射率的测量装置，采用量子级联激光器作为光源，通过红外透镜调节入射到黑体内部的光束，通过测量黑体吸收比的方式，根据能量守恒，得出黑体的绝对发射率。该装置结构简单，测量结果精准，可测量不同波长处的黑体的绝对发射率，实用性强。

Description

一种黑体绝对发射率的测量装置及方法
技术领域
本发明涉及激光测量技术领域，尤其涉及一种黑体绝对发射率的测量装置及方法。
背景技术
黑体作为光辐射量值的源头，在光学测量领域占有举足轻重的地位。众多依赖黑体发射率作为基准的测量设备，例如光辐射亮度测量设备，材料表面发射率测量设备等都需要高精度的黑体发射率绝对值作为参考基准点。根据普朗克黑体辐射定律，黑体的辐射亮度由黑体温度和发射率来决定。目前，黑体温度通过接触测温的方式可以实现高精度高稳定的测量，而黑体绝对发射率尚无十分精确的直接测量方法。
现有技术中，黑体绝对发射率的测量一般采用计算的方法，通过模型,借助相关软件进行计算，间接得到黑体绝对发射率。该方法以黑体内壁材料的反射比和三维空间分布为输入变量，进行黑体发射率的计算。显然，不同的输入参数，对计算结果会产生较大的影响，精度受到很大的限制。更何况，中红外波段的材料反射三维空间分布目前难以测量，只能假定为理想朗伯分布，与实际的分布情况往往有较大不同，导致计算结果的可靠性无法保证。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种黑体绝对发射率的测量装置，解决了现有的黑体绝对发射率测量装置和方法得到的黑体的绝对发射率不精准的技术问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种黑体绝对发射率的测量装置，包括：
量子级联激光器、红外透镜、积分球和变口径光阑；
所述积分球上设置有第一窗孔和第二窗孔；
所述量子级联激光器、所述红外透镜、所述第一窗孔、所述第二窗孔和所述变口径光阑依次排列，位于同一轴线上，并且所述轴线经过所述积分球的球心；
所述黑体可拆卸地安装在所述变口径光阑上。
进一步地，所述积分球的内壁先经过喷砂处理，再进行镀金。
进一步地，所述积分球还包括：
金挡光板和标准金反射板；
所述金挡光板可拆卸地安装到所述第一窗孔上；
所述标准金反射板可拆卸地安装到所述变口径光阑上。
进一步地，所述积分球上还设置有第三窗孔，所述第三窗孔上安装有红外探测器，用于测量所述积分球中的红外信号强度值。
进一步地，所述变口径光阑安装在所述第二窗孔上；
所述变口径光阑的第一面先经过喷砂处理，再进行镀金，所述第一面靠近所述第二窗孔；
所述变口径光阑的第二面设置有绝热层。
进一步地，所述变口径光阑上设置有温度控制器，用于控制所述变口径光阑的温度。
进一步地，所述红外透镜可在所述量子级联激光器和所述积分球之间，沿所述轴线轴向移动。
进一步地，所述红外透镜由硅或者锗材料制成，并且表面镀有增透膜。
另一方面，本发明提供一种黑体绝对发射率的测量方法，包括：
调节变口径光阑的开口直径，保持所述变口径光阑的开口直径和所述黑体的开口直径相同；
调节红外透镜在量子级联激光器和积分球之间的位置；
将所述黑体安装到所述变口径光阑上；
将金挡光板安装到所述积分球的第一窗孔上，记录红外探测器测得的第一红外信号强度S1；
将所述金挡光板从所述第一窗孔上拆除，记录所述红外探测器测得的第二红外信号强度S2；
将所述黑体从所述变口径光阑上拆除，并将标准金反射板安装到所述变口径光阑上，记录所述红外探测器测得的第三红外信号强度S3；
根据所述第一红外信号强度S1、所述第二红外信号强度S2、所述第三红外信号强度S3和所述标准金反射板的反射比P，计算出所述黑体的绝对发射率ε。
进一步地，所述根据所述第一红外信号强度S1、所述第二红外信号强度S2、所述第三红外信号强度S3和所述标准金反射板的反射比P，计算出所述黑体的绝对发射率ε具体为：
其中，ε为所述黑体的绝对发射率，S1为第一红外信号强度、S2为第二红外信号强度、S3为第三红外信号强度，P为标准金反射板的反射比。
(三)有益效果
本发明提供的黑体绝对发射率的测量装置，采用量子级联激光器作为光源，通过红外透镜调节入射到黑体内部的光束，通过测量黑体吸收比的方式，根据能量守恒，得出黑体的绝对发射率。该装置结构简单，测量结果精准，可测量不同波长处的黑体的绝对发射率，实用性强。
附图说明
图1为依照本发明实施例的黑体绝对发射率的测量装置结构示意图；
图2为依照本发明实施例的黑体绝对发射率的测量方法示意图。
具体实施方式
为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
图1为依照本发明实施例的黑体绝对发射率的测量装置结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供一种黑体绝对发射率的测量装置，包括：
量子级联激光器1、红外透镜2、积分球4和变口径光阑5；
所述积分球上设置有第一窗孔3和第二窗孔11；
所述量子级联激光器1、所述红外透镜2、所述第一窗孔3、所述第二窗孔11和所述变口径光阑5依次排列，位于同一轴线上，并且所述轴线经过所述积分球4的球心；
所述黑体6可拆卸地安装在所述变口径光阑5上。
进一步地，所述积分球4的内壁先经过喷砂处理，再进行镀金。
进一步地，所述积分球4还包括：
金挡光板9和标准金反射板10；
所述金挡光板9可拆卸地安装到所述第一窗孔3上；
所述标准金反射板10可拆卸地安装到所述变口径光阑5上。
进一步地，所述积分球上还设置有第三窗孔，所述第三窗孔上安装有红外探测器7，用于测量所述积分球4中的红外信号强度值。
进一步地，所述变口径光阑5安装在所述第二窗孔11上；
所述变口径光阑5的第一面先经过喷砂处理，再进行镀金，所述第一面靠近所述第二窗孔11；
所述变口径光阑5的第二面设置有绝热层。
进一步地，所述变口径光阑5上设置有温度控制器8，用于控制所述变口径光阑的温度。
进一步地，所述红外透镜2可在所述量子级联激光器1和所述积分球4之间，沿所述轴线轴向移动。
进一步地，所述红外透镜2由硅或者锗材料制成，并且表面镀有增透膜。
具体的，黑体绝对发射率的测量装置，包括量子级联激光器1、红外透镜2、积分球4和变口径光阑5；积分球上设置有第一窗孔3和第二窗孔11；量子级联激光器1为红外量子级联激光器。
所述黑体6可拆卸地安装在所述变口径光阑5上，量子级联激光器1、红外透镜2、第一窗孔3、第二窗孔11和变口径光阑5依次排列，位于同一轴线上，并且所述轴线经过积分球4的球心，量子级联激光器1发出的红外激光束经过红外透镜2后，在积分球4内聚焦后再发散，然后入射到所述黑体6中。
积分球4的内壁先经过喷砂处理，再进行镀金，内壁形成漫反射面。
积分球4还包括金挡光板9和标准金反射板10；所述金挡光板9可拆卸地安装到所述第一窗孔3上；所述标准金反射板10可拆卸地安装到所述变口径光阑5上。在测试过程中，可根据需要，将金挡光板9安装到所述第一窗孔3上，也可以根据需要，将金挡光板9从所述第一窗孔3上拆除；可根据需要，将标准金反射板10安装到所述变口径光阑5上，也可以根据需要，将标准金反射板10从所述变口径光阑5上拆除。金挡光板9靠近第一窗孔3的第一面先经过喷砂处理，再进行镀金，形成漫反射面。
积分球4上还设置有第三窗孔，所述第三窗孔上安装有红外探测器7，用于测量所述积分球4中的红外信号强度值。
积分球4的第二窗孔11一般很大，黑体6的开口直径大小不一，变口径光阑5用于协调二者开口直径的一致性。变口径光阑5安装在所述第二窗孔11上，变口径光阑5的第一面先经过喷砂处理，再进行镀金，形成漫反射面，所述第一面靠近所述第二窗孔11，变口径光阑5的第二面设置有绝热层。
变口径光阑5上设置有温度控制器8，用于控制所述变口径光阑的温度。从而保证，在测试过程中，变口径光阑5的温度和积分球4的温度相同。
红外透镜2由硅或者锗材料制成，并且表面镀有增透膜；红外透镜2可在所述量子级联激光器1和所述积分球4之间，沿所述轴线轴向移动。使得到达黑体6处的光斑直径等于或者略小于黑体6的开口直径，进而保证了，入射光完全进入黑体6内部，而没有光束直接入射到积分球4的任何位置。
下面通过该装置的使用过程，对该装置进行进一步地说明：
首先，按照如图1所示的该装置的示意图，安装好该装置，量子级联激光器1、红外透镜2、第一窗孔3、第二窗孔11和变口径光阑5依次排列，位于同一轴线上，并且所述轴线经过所述积分球4的球心。
调节变口径光阑5的开口直径，保持所述变口径光阑5的开口直径和黑体6的开口直径相同。
打开量子级联激光器1，从左到右，逐步调节红外透镜2的位置，并同步观察红外探测器7采集到的积分球4中红外信号的强度值，依据红外信号曲线中，红外信号由强变弱并进入最低点的拐点时的红外透镜2的位置，作为本次测量中的红外透镜2的位置。
将黑体6安装到所述变口径光阑5上，打开黑体6，并等待黑体6的温度达到稳定。
将金挡光板9安装到所述积分球4的第一窗孔3上，记录红外探测器7测得的第一红外信号强度S1。
将所述金挡光板9从所述第一窗3孔上拆除，记录所述红外探测器7测得的第二红外信号强度S2。
将所述黑体6从所述变口径光阑5上拆除，并将标准金反射板10安装到所述变口径光阑5上，记录所述红外探测器7测得的第三红外信号强度S3；
然后，根据所述第一红外信号强度S1、所述第二红外信号强度S2、所述第三红外信号强度S3和所述标准金反射板10的反射比P，即可计算出所述黑体6的绝对发射率ε。
本发明提供的黑体绝对发射率的测量装置，采用量子级联激光器作为光源，通过红外透镜调节入射到黑体内部的光束，通过测量黑体吸收比的方式，根据能量守恒，得出黑体的绝对发射率。该装置结构简单，测量结果精准，可测量不同波长处的黑体的绝对发射率，实用性强。
实施例2：
图2为依照本发明实施例的黑体绝对发射率的测量方法示意图，如图2所示，本发明实施例提供一种黑体绝对发射率的测量方法，包括：
步骤S10、调节变口径光阑的开口直径，保持所述变口径光阑的开口直径和所述黑体的开口直径相同；
步骤S20、调节红外透镜在量子级联激光器和积分球之间的位置；
步骤S30、将所述黑体安装到所述变口径光阑上；
步骤S40、将金挡光板安装到所述积分球的第一窗孔上，记录红外探测器测得的第一红外信号强度S1；
步骤S50、将所述金挡光板从所述第一窗孔上拆除，记录所述红外探测器测得的第二红外信号强度S2；
步骤S60、将所述黑体从所述变口径光阑上拆除，并将标准金反射板安装到所述变口径光阑上，记录所述红外探测器测得的第三红外信号强度S3；
步骤S70、根据所述第一红外信号强度S1、所述第二红外信号强度S2、所述第三红外信号强度S3和所述标准金反射板的反射比P，计算出所述黑体的绝对发射率ε。
具体的，首先，安装好该装置，量子级联激光器、红外透镜、第一窗孔、第二窗孔和变口径光阑依次排列，位于同一轴线上，并且所述轴线经过所述积分球的球心。
调节变口径光阑的开口直径，保持所述变口径光阑的开口直径和黑体的开口直径相同。
打开量子级联激光器，从左到右，逐步调节红外透镜的位置，并同步观察红外探测器采集到的积分球中红外信号的强度值，依据红外信号曲线中，红外信号由强变弱并进入最低点的拐点时的红外透镜的位置，作为本次测量中的红外透镜的位置。
将黑体安装到所述变口径光阑上，打开黑体，并等待黑体的温度达到稳定。
将金挡光板安装到所述积分球的第一窗孔上，记录红外探测器测得的第一红外信号强度S1。
将所述金挡光板从所述第一窗孔上拆除，记录所述红外探测器测得的第二红外信号强度S2。
将所述黑体从所述变口径光阑上拆除，并将标准金反射板安装到所述变口径光阑上，记录所述红外探测器测得的第三红外信号强度S3；
然后，根据所述第一红外信号强度S1、所述第二红外信号强度S2、所述第三红外信号强度S3和所述标准金反射板的反射比P，即可计算出所述黑体的绝对发射率ε。
进一步地，所述根据所述第一红外信号强度S1、所述第二红外信号强度S2、所述第三红外信号强度S3和所述标准金反射板的反射比P，计算出所述黑体的绝对发射率ε具体为：
其中，ε为所述黑体的绝对发射率，S1为第一红外信号强度、S2为第二红外信号强度、S3为第三红外信号强度，P为标准金反射板的反射比。
所述标准金反射板的反射比P可通过查询国家标准得到。
黑体的反射比并且，黑体无透射光，所以，黑体的吸收率根据能量守恒，在稳态下，任何材料的吸收率均等于发射率。故，黑体的绝对发射率
本发明提供的黑体绝对发射率的测量方法，采用量子级联激光器作为光源，通过红外透镜调节入射到黑体内部的光束，通过测量黑体吸收比的方式，根据能量守恒，得出黑体的绝对发射率。该装置结构简单，测量结果精准，可测量不同波长处的黑体的绝对发射率，实用性强。

Claims (10)

1.一种黑体绝对发射率的测量装置，其特征在于，包括：
量子级联激光器、红外透镜、积分球和变口径光阑；
所述积分球上设置有第一窗孔和第二窗孔；
所述量子级联激光器、所述红外透镜、所述第一窗孔、所述第二窗孔和所述变口径光阑依次排列，位于同一轴线上，并且所述轴线经过所述积分球的球心；
所述黑体可拆卸地安装在所述变口径光阑上。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述积分球的内壁先经过喷砂处理，再进行镀金。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述积分球还包括：
金挡光板和标准金反射板；
所述金挡光板可拆卸地安装到所述第一窗孔上；
所述标准金反射板可拆卸地安装到所述变口径光阑上。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述积分球上还设置有第三窗孔，所述第三窗孔上安装有红外探测器，用于测量所述积分球中的红外信号强度值。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述变口径光阑安装在所述第二窗孔上；
所述变口径光阑的第一面先经过喷砂处理，再进行镀金，所述第一面靠近所述第二窗孔；
所述变口径光阑的第二面设置有绝热层。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述变口径光阑上设置有温度控制器，用于控制所述变口径光阑的温度。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述红外透镜可在所述量子级联激光器和所述积分球之间沿所述轴线轴向移动。
8.根据权利要求1-7任一项所述的装置，其特征在于，所述红外透镜由硅或者锗材料制成，并且表面镀有增透膜。
9.一种黑体绝对发射率的测量方法，其特征在于，包括：
调节变口径光阑的开口直径，保持所述变口径光阑的开口直径和所述黑体的开口直径相同；
调节红外透镜在量子级联激光器和积分球之间的位置；
将所述黑体安装到所述变口径光阑上；
将金挡光板安装到所述积分球的第一窗孔上，记录红外探测器测得的第一红外信号强度S1；
将所述金挡光板从所述第一窗孔上拆除，记录所述红外探测器测得的第二红外信号强度S2；
将所述黑体从所述变口径光阑上拆除，并将标准金反射板安装到所述变口径光阑上，记录所述红外探测器测得的第三红外信号强度S3；
根据所述第一红外信号强度S1、所述第二红外信号强度S2、所述第三红外信号强度S3和所述标准金反射板的反射比P，计算出所述黑体的绝对发射率ε。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一红外信号强度S1、所述第二红外信号强度S2、所述第三红外信号强度S3和所述标准金反射板的反射比P，计算出所述黑体的绝对发射率ε具体为：
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其中，ε为所述黑体的绝对发射率，S1为第一红外信号强度、S2为第二红外信号强度、S3为第三红外信号强度，P为标准金反射板的反射比。
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