CN109297912A - 一种材料高温方向光谱发射率测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及材料热物性测量技术领域，尤其涉及材料高温方向光谱发射率测试装置。该测试装置使用电磁感应加热系统对待测件进行加热，通过测温光路系统实时测试温度，通过辐射测量光路系统测试辐射能量，通过旋转部调整辐射测量光路系统的相对待测件的角度，不但实现了待测件不同温度、不同角度、不同波段的光谱发射率连续测量，而且还简单化了结构，减少了空间的占用。
Description
技术领域
本发明涉及材料热物性测量技术领域，尤其涉及材料高温方向光谱发射率测试装置。
背景技术
材料的热辐射特性随温度变化而变化，黑体的辐射能力与其热力学温度的四次方(T4)成正比，实际物体的发射特性与其自身状况(表面温度、表面状况及表面材料种类)有关，并非严格与T4成正比，但计算时仍然用T4表示。同一材料在相同温度、相同角度方向，不同波长上的辐射能量不同；相同温度、相同波长，不同角度方向上的辐射能量也会有所不同，因此，发射率通常的表示方式为ε(λ,θ,T)，指实际物体在λ波长处、在θ角方向上的辐射力与同温度下黑体辐射力的比值，即ε(λ,θ,T)＝L(λ,θ,T)/Lb(λ,θ,T)。
目前的高温发射率测试装置，待测件一般封闭于独立的、带有窗口的加热炉内，与测量光路处于两个相对独立的空间，当温度过高时窗口发射出的能量是炉体与待测件的综合辐射能力，温度越高，炉腔的干扰越大。这种结构在测量方向发射率时，当待测件在炉内转动时，由于加热炉空间的限制，待测件转动角度受限；当待测件与加热炉一同运动时，超高温加热炉占用的空间较大，运动机构不够灵巧。
发明内容
本发明的目的是提供一种材料高温方向光谱发射率测试装置，以至少解决上述中的一个问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种材料高温方向光谱发射率测试装置，包括：
工作台，所述工作台上设有用于放置待测件的支撑部；
电磁感应加热系统，用于为所述待测件加热；
测温光路系统，采集所述待测件的辐射并传导至测温装置；
辐射测量光路系统，所述辐射测量光路系统通过旋转部安装在所述工作台，采集所述待测件的辐射并转换为平行光传导至傅里叶光谱仪，所述旋转台能够带动所述辐射测量光路系统相对所述待测件连续转动，并保持所述辐射测量光路系统的采集点位置不变，以采集所述待测件不同角度的辐射；
所述测温光路系统和所述辐射测量光路系统采集点重合；
计算机，所述计算机分别与所述测温装置、傅里叶光谱仪连接，记录所述待测件的温度数据和所述傅里叶光谱仪采集的光谱特性曲线。
优选地，所述测温光路系统包括第一离轴抛物面反射镜、第一平面反射镜和第二平面反射镜，所述待测件辐射依次经过所述第一离轴抛物面反射镜、第一平面反射镜和第二平面反射镜传导至所述测温装置；
所述辐射测量光路系统包括第二离轴抛物面反射镜、第三平面反射镜和第四平面反射镜，所述待测件辐射依次经过所述第二离轴抛物面反射镜、第三平面反射镜和第四平面反射镜传导至所述傅里叶光谱仪。
优选地，所述旋转部包括安装架、步进电机、主动齿轮和从动齿轮，所述主动齿轮与所述步进电机的电机轴连接，所述从动齿轮与所述主动齿轮啮合，且所述从动齿轮的轴线与所述待测件的上表面处于同一平面内，所述辐射测量光路系统通过所述从动齿轮与所述安装架固定连接。
优选地，所述从动齿轮上还设有悬挂在所述从动齿轮上的配重块，且所述配重块能够随着所述从动齿轮转动。
优选地，所所述步进电机的驱动器与所述计算机连接，以响应所述计算机发出的控制所述步进电机转动的指令。
优选地，所述旋转部还包括至少一个用于感应所述配重块是否回到零位的传感器，所述传感器与所述计算机连接，将采集的信息传送给所述计算机。
优选地，所述安装架内设有冷却循环水道，所述冷却循环水道的进水口和出水口分别与进水管和出水管连通。
优选地，所述步进电机的外壳为设有冷却循环水道，所述冷却循环水道的进水口和出水口分别与进水管和出水管连通。
优选地，所述电磁感应加热系统包括电源和电磁感应线圈，所述支撑部位于所述电磁感应线圈内。
优选地，所述电磁感应线圈与所述支撑部之间设有防辐射套筒，所述防辐射套筒的高度不低于所述电磁感应线圈的高度。
优选地，所述电磁感应线圈的外延段的两根导线之间设有电磁屏蔽板，至少在所述两根导线的轴向上的一段距离内隔开所述两根导线。
优选地，所述电源与所述计算机连接，通过所述计算机调整所述电源的功率。
优选地，材料高温方向光谱发射率测试装置还包括真空仓盖、机械泵和分子泵，所述真空仓盖盖设于所述工作台上，在所述真空仓盖上分别设有用于供待测件辐射透过的第一透镜和第二透镜，经所述测温光路系统传导的所述待测件辐射透过所述第一透镜后传导至所述测温装置，经所述辐射测量光路系统传导的所述待测件辐射透过所述第二透镜后传导至所述傅里叶光谱仪；
所述机械泵和分子泵用于将真空仓盖内抽成真空，使待测件处于真空环境。
优选地，所述真空仓盖内间隔设有内仓盖，所述内仓盖上与所述第一透镜和所述第二透镜相对应的位置设有供待测件辐射穿过的开口。
优选地，所述内仓盖的壁内设有冷却水道。
优选地，所述内仓盖的内壁表面设有用于吸收辐射的高吸收率涂层。
本发明的上述技术方案具有如下优点：
(1)本发明提供的材料高温方向光谱发射率测试装置，使用电磁感应加热系统对待测件进行加热，通过测温光路系统实时测试温度，通过辐射测量光路系统测试辐射能量，通过旋转部调整辐射测量光路系统相对待测件的角度，不但实现了待测件不同温度、不同角度、不同波段的光谱发射率连续测量，而且还简单化了结构，减少空间占用。
(2)通过在电磁感应线圈的外延段的两根导线之间设有电磁屏蔽板，且所述电磁屏蔽板至少在所述两根导线的轴向上的一段距离内隔开所述两根导线，克服表面效应，提高电磁感应加热系统的加热效率。
(3)通过在旋转部的从动齿轮上设置悬挂在所述从动齿轮上的配重块，提高旋转部的复位精度。
(4)通过设置真空仓盖，提高装置的安全性，并且进一步提高加热效率，同时避免待测件高温氧化。
附图说明
图1是本发明实施例中一种材料高温方向光谱发射率测试装置的结构示意图；
图2是图1中辐射测量光路系统的结构示意图；
图3是本发明实施例中电磁感应加热系统部分结构示意图(省略电源)；
图4是图3的左视图；
图5是本发明实施例中的旋转部的结构示意图；
图6是本发明实施例中在天顶角为5°时测得的不同波段、不同温度下的待测件(SiC)的方向光谱发射率；
图7是本发明实施例中测得待测件(SiC)在波段为3μm时，不同角度(天顶角)、不同温度下的方向光谱发射率。
图中：1：工作台；2：测温装置；3：傅里叶光谱仪；4：第一离轴抛物面反射镜；5：第一平面反射镜；6：第二平面反射镜；7：第二离轴抛物面反射镜；8：第三平面反射镜；9：第四平面反射镜；10：电磁感应加热系统；101：导线；102：电磁屏蔽板；11：安装架；12：步进电机；13：主动齿轮；14：从动齿轮；15：配重块；16：真空仓盖；161：第一透镜；162：第二透镜；17：内仓盖。
具体实施方式
为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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供的一种材料高温光谱发射率测试装置包括工作台1、电磁感应加热系统10、测温光路系统和辐射测量光路系统、测温装置2和傅里叶光谱仪3，其中工作台1上设有用于放置待测件的支撑部，电磁感应加热系统10的加热头从工作台1的下侧穿过工作台1，并位于支撑部附近，能够为放置在支撑部上的待测件加热。测温光路系统安装在工作台上方，能够采集待测件辐射，并将采集的待测件辐射传导至测温装置2。辐射测量光路系统通过旋转部安装在工作台上方，能够采集待测件辐射，并将采集的待测件辐射转换为平行光传导至傅里叶光谱仪3，旋转台能够带动所述辐射测量光路系统相对所述待测件连续转动，转动过程中，辐射测量光路系统的旋转轴与待测件的上表面在同一平面上，能够保持所述辐射测量光路系统的采集点位置不变，以采集所述待测件不同角度的辐射，也就是说无论从哪个角度采集待测件的光谱发射率，测温光路系统和所述辐射测量光路系统采集点(测量区域)均重合，以提高测试精度。
测温装置2和傅里叶光谱仪3均与计算机连接，由计算机记录所述待测件的温度数据(测温装置2采集的数据)和所述傅里叶光谱仪3采集的光谱特性曲线(包含了光源的全部频率和强度信息)，通过计算机记录的信息并结合在先标定的同样条件下的黑体辐射力，即可得到待测件在某一温度条件下，某一波长处、某一角度方向上的发射率，通过旋转部调整辐射测量光路系统的角度，和/或调整待测件的温度，即可实现对材料(待测件)不同波段、不同温度、不同角度的方向光谱的发射的连续测试。
本发明提供的材料高温方向光谱发射率测试装置，使用电磁感觉系统加热，简单化了结构，减少空间占用，并为实现连续测试待测件不同角度的方向光谱发射率提供了可能，通过测温装置实时测温，通过旋转部调整辐射测量光路系统相对待测件的角度，实现不同波段、不同温度、不同角度的方向光谱发射率的测量。
需要说明的，黑体辐射力可以使用之前标定得到的数据，也可以利用本实施例的光谱发射率测试装置标定获得，如何标定以及在得到本实施例的光谱发射率测试装置测得的数据后如何计算发射率，通过本领域的现有技术即可获得，在此不再赘述。
值得说明的是，利用本实施例的光谱发射率测试装置标定黑体辐射力的过程与利用本实施例的光谱发射率测试装置测试待测件辐射力的过程相同。
在一些具体的实施方式中，优选地，测温装置2为紫外光学温度计。
如图1和图2所示，在一些优选地实施方式中，测温光路系统包括第一离轴抛物面反射镜4、第一平面反射镜5和第二平面反射镜6，三个反射镜之间的位置相对固定，并且相互之间呈一定的角度，使待测件辐射能够依次经过第一离轴抛物面反射镜4、第一平面反射镜5和第三平面6反射传导至所述测温装置2。
辐射测量光路系统包括第二离轴抛物面反射镜7、第三平面反射镜8和第四平面反射镜9，三者之间的位置相对固定，并且相互之间呈一定的角度，使待测件辐射能够依次经过第二离轴抛物面反射镜7、第三平面反射镜8和第四平面反射镜9传导至傅里叶光谱仪3。
在一些具体地实施方式中，一个光路系统中的多个镜片可以通过支架或者连接杆等结构确定相对位置和角度，具体可参考图5。
如图5所示，本实施例提供了旋转部的一种优选的实施方式，该旋转部包括安装架11、步进电机12、主动齿轮13和从动齿轮14，其中，主动齿轮13与步进电机12的电机轴连接，从动齿轮14与主动齿轮13啮合，且从动齿轮14的轴线与所述待测件的上表面处于同一平面内，所述辐射测量光路系统通过所述从动齿轮14与安装架11固定连接，使辐射测量光路系统能够随从动齿轮14转动，通过对步进电机的控制实现辐射测量光路系统的角度调整。
为了保护步进电机避免被高温损坏，在一些优选地实施方式中，如图5所示，安装架内设有冷却循环水道，冷却循环水道的进水口和出水口分别与进水管和出水管连通，以降低步进电机12周边的温度。
在一些优选地实施方式中，所述步进电机的驱动器与所述计算机连接，以响应所述计算机发出的控制所述步进电机转动的指令，进而实现计算机的自动控制。
为了提高旋转部在旋转后复位的精度，如图5所示，在从动齿轮14上还设有悬挂在从动齿轮14上的配重块15，且该配重块15能够随着从动齿轮14转动，具体在，配重块15通过安装板固定安装在从动齿轮14上，在从动齿轮14转动后(配重块离开原位)配重块15在重力的作用下始终有一个复位的趋势，使从动齿轮14在复位时能够两个齿轮配合误差，保证辐射测量光路系统转动的精度。
进一步地，旋转部还包括用于感应所述配重块是否回到零位的传感器，具体可以为霍尔传感器、接近开关、压力传感器等，传感器与计算机连接，将采集的信号传送给计算机。
在一些优选地实施方式中，支撑部能够方便的进行整体拆卸更换或者局部(与待测件接触的部分)的拆卸更换，以提高发射率测试装置的通用性，根据待测件特性的不同，支撑部可以选用不同的材料制成，例如，当待测件是导电材料时，支撑部选用隔热材料即可，形状和结构在此不做限定，如果待测件非导电材料或者电磁感应加热效果不好材料，支撑部可以选用导电材料制成，或者至少与待测件接触的部分选用导电材料制成，被电磁感应系统加热后为待测件传导热量。
具体地实施方式中，支撑部可以是一个整体的架体，也可以是工作台上的凸起，由于其作用主要是支撑待测件。并使待测件处于一定的高度，因此只要是在不遮挡光路的情况下，对形状没有特别要求。在一些实施方式中，支撑部还可以是两部分组成，例如，一个通用的支架基体或者一个平台凸起，在支架基体或者平台凸起的上方具有可拆卸部，该可拆卸部是与待测件直接接触，根据待测件导电和非导电的特性，可以选择更换可拆卸部，以实现待测件的直接电磁感应加热或者热传导加热。
电磁感应加热系统包括电源的电磁感应线圈，在一个优选实施方式中，支撑部位于电磁感应线圈内，使电磁感应加热更均匀。
为了更好的保护电磁感应线圈避免被高温损坏，进一步优选地，电磁感应线圈与支撑部之间设有防辐射套筒，防辐射套筒的高度不低于电磁感应线圈的高度，使电磁感应线圈得到全面的保护，防辐射套筒为非导电材料制成。
在一些优选地的实施方式中，如图3和图4所示，为了提高电磁感应加热系统10的加热效率，在电磁感应线圈的外延部分(非感应部分)的两根导线101之间设置电磁屏蔽板102，使两根导线101在轴向长度上至少有一部分被电磁屏蔽板隔开，减少两根导线101之间的相互干扰，克服表面效应，提高加热效率。
优选地，在两根导线101之间且靠近电磁感应线圈的位置设置电磁屏蔽板102即可起到很好的作用。
优选地，电磁屏蔽板102可以采用一些非导体材料，例如绝缘塑料等。
优选地，在一些实施方式中，电磁感应加热系统的电源与计算机连接，通过计算机可以调整电源的功率，从而控制待测件的加热温度。
为了进一步提高加热效率、避免部分待测件在高温下氧化，参照图1所示，在一些优选地实施方式中，还设有一真空仓盖16、机械泵(图中未示出)和分子泵(图中未示出)，其中，真空仓盖16盖设于工作台1上，在该真空仓盖16上分别设有用于供待测件辐射穿过的第一透镜161和第二透镜162，经测温光路系统传导的所述待测件辐射穿过第一透镜161后传导至测温装置2，经辐射测量光路系统传导的待测件辐射穿过第二透镜162后传导至傅里叶光谱仪3。
机械泵和分子泵用于将真空仓盖16内抽成真空，使待测件位于真空状态。
为了避免烫伤工作人员，进一步提高安全性，参考图1，在一些优选实施方式中，真空仓盖16内还设有内仓盖17，其中，第一透镜161和第二透镜162设置外层仓盖161上，在内仓盖17上与第一透镜161和第二透镜162相对应的位置设有供待测件辐射穿过的开口。
更优选地，内仓盖17的壁内设有冷却水道，用于冷却降温，冷却水管穿过外层仓盖161后与冷却水道连接，为冷却水道提供冷却水，冷却水经冷却水道后通过排水管流出。在一些具体地实施方式中，内仓盖的壁可以为中空结构，中空部即可作为冷却水道。也可以是内仓盖17的壁内的周向上间隔设置有多条冷却水道，用于真空仓盖的冷却。
进一步地，所述内仓盖的内壁表面设有用于吸收辐射的高吸收率涂层，减少环境辐射的影响。
为了方便观察，在真空仓盖16上还设有具有透镜的观察口。
为了方便抬起或盖合真空仓盖16，在工作台1上设有多个推动部(图中未示出)，例如2个、3个或4个，多个推动部在周向上均匀分布，用于平稳的推起或盖合真空仓盖16。在一些具体地实施方式中，推动部可以是丝杠、螺母和电机组成，其中，丝杠竖直安装在工作台1上，螺母安装在真空仓盖16的外壁，电机带动丝杠转动，在其与螺母配合使旋转运动转为直线运动，带动真空仓盖16升降。
当然推动部也可以是其他有类似功能的结构，例如，液压杆、气压杆、电推杆等。
一个优选的实施式中，包括上述一实施方式的组合，例如，包括真空仓盖16，测温光路系统包括一个第一离轴抛物面反射镜和二个平面反射镜，辐射测量光路系统包括一个第二离轴抛物面反射镜和两个平面反镜，具体各部连接关系或参照上述相应的实施方式。利用该实施方式中材料高温方向光谱发射率测试装置对SiC(碳化硅)样品(待测件)进行方向光谱发射率进行测试，具体地，选取测试角度(天顶有)为5°，分别选取波段为3μm、4μm、5μm、8μm、10μm、12μm和16μm，通过电磁感应加热系统对SiC样品加热，记录不同温度时的值，最终得到SiC在天顶角为5°时，不同温度、不同波段下的方向光谱发射率，具体参见图6所示。
如图7所示，利用该装置测试SiC样品在波段为3μm时，不同角度(天顶角)、不同温度下的方向光谱发射率，温度分别为1335K、1474K、1587K、1683K、1763K和1842K。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，不存在方案冲突的情况下，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
此外，在不脱离本发明的范围的情况下，对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (16)
1.一种材料高温方向光谱发射率测试装置，其特征在于，包括：
工作台，所述工作台上设有用于放置待测件的支撑部；
电磁感应加热系统，用于为所述待测件加热；
测温光路系统，采集所述待测件的辐射并传导至测温装置；
辐射测量光路系统，所述辐射测量光路系统通过旋转部安装在所述工作台，采集所述待测件的辐射并转换为平行光传导至傅里叶光谱仪，所述旋转台能够带动所述辐射测量光路系统相对所述待测件连续转动，并保持所述辐射测量光路系统的采集点位置不变，以采集所述待测件不同角度的辐射；
所述测温光路系统和所述辐射测量光路系统采集点重合；
计算机，所述计算机分别与所述测温装置、傅里叶光谱仪连接，记录所述待测件的温度数据和所述傅里叶光谱仪采集的光谱特性曲线。
2.根据权利要求1所述的材料高温方向光谱发射率测试装置，其特征在于：所述测温光路系统包括第一离轴抛物面反射镜、第一平面反射镜和第二平面反射镜，所述待测件辐射依次经过所述第一离轴抛物面反射镜、第一平面反射镜和第二平面反射镜传导至所述测温装置；
所述辐射测量光路系统包括第二离轴抛物面反射镜、第三平面反射镜和第四平面反射镜，所述待测件辐射依次经过所述第二离轴抛物面反射镜、第三平面反射镜和第四平面反射镜传导至所述傅里叶光谱仪。
3.根据权利要求1所述的材料高温方向光谱发射率测试装置，其特征在于：所述旋转部包括安装架、步进电机、主动齿轮和从动齿轮，所述主动齿轮与所述步进电机的电机轴连接，所述从动齿轮与所述主动齿轮啮合，且所述从动齿轮的轴线与所述待测件的上表面处于同一平面内，所述辐射测量光路系统通过所述从动齿轮与所述安装架固定连接。
4.根据权利要求3所述的材料高温方向光谱发射率测试装置，其特征在于：所述从动齿轮上还设有悬挂在所述从动齿轮上的配重块，且所述配重块能够随着所述从动齿轮转动。
5.根据权利要求3所述的材料高温方向光谱发射率测试装置，其特征在于：所述步进电机的驱动器与所述计算机连接，以响应所述计算机发出的控制所述步进电机转动的指令。
6.根据权利要求5所述的材料高温方向光谱发射率测试装置，其特征在于：所述旋转部还包括至少一个用于感应所述配重块是否回到零位的传感器，所述传感器与所述计算机连接，将采集的信息传送给所述计算机。
7.根据权利要求3所述的材料高温方向光谱发射率测试装置，其特征在于：所述安装架内设有冷却循环水道，所述冷却循环水道的进水口和出水口分别与进水管和出水管连通。
8.根据权利要求3所述的材料高温方向光谱发射率测试装置，其特征在于：所述步进电机的外壳为设有冷却循环水道，所述冷却循环水道的进水口和出水口分别与进水管和出水管连通。
9.根据权利要求1所述的材料高温方向光谱发射率测试装置，其特征在于：所述电磁感应加热系统包括电源和电磁感应线圈，所述支撑部位于所述电磁感应线圈内。
10.根据权利要求9所述的材料高温方向光谱发射率测试装置，其特征在于：所述电磁感应线圈与所述支撑部之间设有防辐射套筒，所述防辐射套筒的高度不低于所述电磁感应线圈的高度。
11.根据权利要求1所述的材料高温方向光谱发射率测试装置，其特征在于：所述电磁感应线圈的外延段的两根导线之间设有电磁屏蔽板，使所述两根导线在轴向长度上至少有一部分被所述电磁屏蔽板隔开。
12.根据权利要求1所述的材料高温方向光谱发射率测试装置，其特征在于：所述电源与所述计算机连接，通过所述计算机调整所述电源的功率。
13.根据权利要求1-12任一项所述的材料高温方向光谱发射率测试装置，其特征在于：还包括真空仓盖、机械泵和分子泵，所述真空仓盖盖设于所述工作台上，在所述真空仓盖上分别设有用于供待测件辐射透过的第一透镜和第二透镜，经所述测温光路系统传导的所述待测件辐射透过所述第一透镜后传导至所述测温装置，经所述辐射测量光路系统传导的所述待测件辐射透过所述第二透镜后传导至所述傅里叶光谱仪；
所述机械泵和分子泵用于将真空仓盖内抽成真空，使待测件处于真空环境。
14.根据权利要求13所述的材料高温方向光谱发射率测试装置，其特征在于：所述真空仓盖内间隔设有内仓盖，所述内仓盖上与所述第一透镜和所述第二透镜相对应的位置设有供待测件辐射穿过的开口。
15.根据权利要求14所述的材料高温方向光谱发射率测试装置，其特征在于：所述内仓盖的壁内设有冷却水道。
16.根据权利要求13所述的材料高温方向光谱发射率测试装置，其特征在于：所述内仓盖的内壁表面设有用于吸收辐射的高吸收率涂层。
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