CN109781275B

CN109781275B - 一种材料法向光谱发射率测量装置

Info

Publication number: CN109781275B
Application number: CN201711123816.3A
Authority: CN
Inventors: 方会双; 杨莉萍; 钟秋; 陶冶; 李会东; 徐子君; 汪文兵; 雒彩云
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS; University of Chinese Academy of Sciences
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS; University of Chinese Academy of Sciences
Priority date: 2017-11-14
Filing date: 2017-11-14
Publication date: 2020-11-10
Anticipated expiration: 2037-11-14
Also published as: CN109781275A

Abstract

本发明涉及一种材料法向光谱发射率测量装置，具备：腔体，设置于所述腔体内的两个相对称且开口相向的部分椭圆形状的反射罩、两个红外加热器、和样品，两个所述反射罩具有一个共用焦点，所述样品设于所述共用焦点处，所述两个红外加热器分别设于两个所述反射罩的非共用焦点处；设置于与所述样品正对的所述腔体的顶部或/和底部的观测窗口；设置于所述腔体外与所述观测窗口对应位置处的光学系统；与所述光学系统连用的傅立叶红外光谱仪；与所述傅立叶红外光谱仪连接的计算机。本装置能测量的固体样品温度可达到2000K，熔体样品温度1373K。光谱范围0.25‑25μm（KBr窗口片）。

Description

一种材料法向光谱发射率测量装置

技术领域

本发明涉及材料热物性测量技术领域，特别涉及一种材料法向光谱发射率测量装置，适用于测量固体、熔体材料的法向光谱发射率。

背景技术

发射率是材料热物性的一个重要表征参数发射率的精确测量对军事、化工、建筑、医疗、航空航天等领域的发展有重大作用，在数值仿真方面也起着重要作用。近年来，对材料法向光谱发射率的研究越来越多，而材料法向光谱辐射率的测量对光谱辐射表面的材料和涂层的研究也尤为重要。例如在航空航天领域中，在飞行器进入太空之前和离开太空之后的一段时间内，飞行器表面由于与空气摩擦导致温度急剧升高，表面涂层的发射率大小会决定表面的辐射散热的多少，影响飞行器的散热效果，因而对涂层发射率的准确测量在飞行器防护结构热设计过程中尤为重要。

目前，材料的发射率测量方法分为直接式测量和间接式测量两种。其中，直接式测量方法又包括量热法和能量法等；间接式测量方法分为反射法和多波长法等。应用最为广泛的测量方法为能量法，原理简单即对黑体和样品进行加热，使二者达到同样温度，测量样品的辐射力与黑体的辐射力之比。应用典型的能量法为分离黑体法，伴随傅立叶红外光谱仪的发展，采用傅立叶红外光谱仪测量发射率也得到越来越广泛的应用。

基于傅立叶红外光谱仪的能量法是近年来的主要发展方向，也代表了发射率测量的最高水平。现有的测量装置加热方式首先是电加热，控制性好，加热速度温和与加热效率高等优点，但是电加热温度上限一般不超过800℃，其次激光加热方式虽然可以达到较高温度，但激光光束很小，导致样品加热过程中热量损失严重，温度均匀性不高。所以，对温度范围测量上限高，加热均匀的发射率测量装置的研究非常重要。

发明内容

发明要解决的问题：

本发明目的在于提供一种能够测量宽温度和宽光谱范围且加热均匀的材料法向光谱发射率测量装置。

解决问题的手段：

一种材料的法向光谱发射率测量装置，具备：腔体；设置于所述腔体内的两个相对称且开口相向的部分椭圆形状的反射罩、两个红外加热器和样品，两个所述反射罩具有一个共用焦点，所述样品设于所述共用焦点处，所述两个红外加热器分别设于两个所述反射罩的非共用焦点处；设置于与所述样品正对的所述腔体的顶部或/和底部观察窗口（其中，顶部用于光路测量窗口，底部属于备用窗口，可与其他设备连接用，这里不做说明（也可只设一个窗口用于观察），底部窗口不使用状态可用挡光板挡住）；设置于所述腔体外与所述观测窗口对应位置处的光学系统；与所述光学系统联用（连用）的傅立叶红外光谱仪；与所述傅立叶红外光谱仪联用的计算机。

本发明中，样品位于两椭圆灯罩的公共焦点处，样品加热温度由灯管加热功率和灯管与样品间的距离所决定。本装置能测量的固体样品温度可达到2000K，熔体样品温度1373K。光谱范围0.25-25 μm（KBr窗口片）。

根据本发明，样品位于两个部分椭圆形的反射罩的共用焦点处；两个红外加热器分别安放于两个部分椭圆形的反射罩的非共用焦点处，红外加热灯管的长度与样品一致，由此，在椭圆形灯罩的反射下，可使红外加热器对样品加热均匀，加热效率高，加热速度快，减小了由于温度测量不准而引起发射率测量的误差。且本发明的材料法向光谱发射率测量装置的辐射能测量系统为傅立叶红外光谱仪，能同时测量记录所有谱元信号，高的信噪比和分辨率。

本发明中，还包括用于对所述腔体内抽真空的抽真空装置。借助于此，本发明发射率测量装置真空度高，发射率测量准确度高。优选地，通过调节抽真空装置使腔体的内部压强达到10^-4Pa以下，以此提高发射率测量准确度。

本发明中，还包括与所述腔体的壁连通的循环水冷装置。借助于此，能够保持腔体壁四周温度恒定为室温状态。

本发明中，所述光学系统包括依次设置于所述腔体外的可变光阑和反射镜。所述反射镜的表面涂有高反射率涂层（金膜的红外段反射率可达0.9，铝膜的红外段反射率约为0.8），可使光束反射效果大大提高，减少光损失。

本发明中，所述样品中心与反射镜中心等高，反射镜中心与傅立叶红外光谱仪中心等高。两两等高的效果使中心相对，调整光路，保证反射镜能够接收最大光量和傅立叶光谱仪能精准接收来自反射镜的反射光。

本发明中，所述观测窗口的两侧分别涂有高吸收率涂层(

)，这里将腔体内壁全部涂上此涂层，降低腔体内壁多次反射带来的影响，以提高测量准确度。所述观测窗口根据测量光谱波段范围选择。如CaF₂窗口片（250nm-7μm），BaF₂窗口片（200nm-12μm），KBr窗口片（250nm-26μm）等。

本发明中，所述反射罩的内表面也镀有高反射率涂层（例如，Au、Ag、Al等），利用椭圆形其中一个焦点处放置光源，光源发出的光通过镀有高反射率涂层椭圆罩反射后，几乎全部聚焦于另一个焦点，使光源所发射的光集中聚焦到样品加热，加热速度快并且均匀。

本发明可包含权利要求书和/或说明书和/或附图中公开的至少两个结构的任意组合。尤其是，本发明包含权利要求书的各项权利要求的两个以上的任意组合。

根据下述具体实施方式并参考附图，将更好地理解本发明的上述及其他目的、特征和优点。

附图说明

图1是根据本发明一实施形态的材料法向光谱发射率测量装置的结构示意图；

符号说明：

1腔体

2、3反射罩

4、5红外加热灯管

6样品

7循环水冷装置

8抽真空装置

9直流电源

10温度控制器

11观测窗口

12反射镜

13傅立叶红外光谱仪（FTIR）

14计算机。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。在各图中相同或相应的附图标记表示同一部件，并省略重复说明。

图1是根据本发明一实施形态的材料法向光谱发射率测量装置的结构示意图。如图1所示，本实施形态的材料法向光谱发射率测量装置，具有腔体1，在本实施形态中该腔体1为长方体，但本发明不限于此。该腔体1内表面涂有高吸收率涂层。

如图1所示，所述腔体1的内部包含两个部分椭圆形的反射罩2、3，以对称且未完全封闭的形式安放，两个所述部分椭圆形的反射罩2、3尺寸相同且其内表面均镀有高反射率涂层。两个反射罩2、3共用一个焦点，样品6安放于两个所述部分椭圆形的反射罩2、3的共用焦点处。两个红外加热器4、5分别安放于上述两个所述部分椭圆形的反射罩2、3的各自的非共用焦点处，且选用卤钨灯作为红外光源，采用电加热方式进行加热。红外加热装置4、5可与直流电源9相连，温度控制器10通过导线与直流电源相连。

此外，还如图1所示，还设有用于对腔体1内抽真空的抽真空装置8。借助于此，本发明发射率测量装置真空度高，发射率测量准确度高。优选地，可通过调节抽真空装置8使腔体1的内部压强达到10^-4Pa以下，以此提高发射率测量准确度。具体而言，如图1所示，可在腔体1上设有真空抽气孔，抽真空装置8通过该真空抽气空对腔体1内抽真空。

另外，还如图1所示，还设有与腔体1的壁连通的循环水冷装置7借助于此，能够保持腔体壁四周温度恒定为室温状态。

还如图1所示，在与样品6正对的腔体1的顶部（和底部）安装有观测窗口11，该观测窗口11的两侧除了观测窗口的整个腔体内部涂有高吸收率涂层，并且，该观测窗口11根据测量光谱波段范围选择，如CaF₂窗口片（250nm-7μm），BaF₂窗口片（200nm-12μm），KBr窗口片（250nm-26μm）等。在与上述观测窗口11正对的腔体1的外部设有包含反射镜12的光学系统，所述反射镜12的表面涂有高反射率涂层。在腔体1的外部以傅立叶红外光谱仪13的中心与反射镜12的中心等高的形式安装傅立叶红外光谱仪13。所述傅立叶红外光谱仪13连接有计算机14。

另外，将热电偶丝一端插入样品6中心部分，用于测量样品温度，热电偶另一端则接到温控装置中，将样品温度与温控器设定温度比较后，温控装置会实时调整灯管的加热功率，达到温控目的。

以下详细说明采用本发明材料法向光谱发射率测量装置的工作过程。

标定光路系统，调整高度使样品6的中心、反射镜12的中心及傅立叶红外光谱仪13的进光口中心两两同高，保证黑体到达傅立叶红外光谱仪13的光路与样品6到达傅立叶红外光谱仪13的距离相等，即光路相同。通过反射镜12将从腔体1内部传出的光线传入傅立叶红外光谱仪13，与所述傅立叶红外光谱仪13连接的计算机14处理数据。

调节抽真空装置8将腔体1的内部压强抽到10^-4Pa及以下，即认为真空状态；同时向循环水冷装置7通入循环水以保持炉体壁四周温度恒定为室温状态；于温度控制器10设定要加热到的温度；打开与红外加热装置4、5相连的直流电源9，开始加热，热电偶对样品6测温的结果反馈给温度控制器10，与温度控制器10初始设定的结果相比对，通过温度控制器10控制红外加器4、5继续加热或者停止加热，以达到控制温度的目的。

当作为样品加热炉的腔体1加热到指定温度时，由傅立叶红外光谱仪13测量此温度下样品6的光谱辐射能量值；同样，将黑体加热炉放在相同光路中，测得相同温度下的黑体辐射能量值。如此进行下去，一定温度下的样品光谱辐射能量与黑体光谱辐射能量相对比，得到光谱发射率值。

本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。凡在本发明的精神和原则之内的，所做出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种材料法向光谱发射率测量装置，其特征在于，具备：

腔体，

设置于所述腔体内的两个相对称且开口相向的部分椭圆形状的反射罩、两个红外加热器、和样品，两个所述反射罩具有一个共用焦点，所述样品设于所述共用焦点处，所述两个红外加热器分别设于两个所述反射罩的非共用焦点处且使所述两个加热器发出的光经各自反射罩反射后聚焦到所述样品；

设置于与所述样品正对的所述腔体的顶部或/和底部的观测窗口；

设置于所述腔体外与所述观测窗口对应位置处的光学系统；

与所述光学系统连用的傅立叶红外光谱仪；

与所述傅立叶红外光谱仪连接的计算机；

用于对所述腔体内抽真空的抽真空装置。

2.根据权利要求1所述的材料法向光谱发射率测量装置，其特征在于，还包括与所述腔体的壁连通的循环水冷装置。

3.根据权利要求1所述的材料法向光谱发射率测量装置，其特征在于，所述光学系统包括依次设置于所述腔体外的可变光阑和反射镜，所述反射镜的表面涂有高反射率涂层。

4.根据权利要求3所述的材料法向光谱发射率测量装置，其特征在于，所述傅立叶红外光谱仪的中心与所述反射镜的中心和所述样品的中心等高。

5.根据权利要求1所述的材料法向光谱发射率测量装置，其特征在于，所述红外加热器选用卤钨灯管作为红外光源。

6.根据权利要求1所述的材料法向光谱发射率测量装置，其特征在于，所述观测窗口的两侧除了观测窗口以外的整个腔体内部涂有高吸收率涂层，所述观测窗口根据测量光谱波段范围选择。

7.根据权利要求1所述的材料法向光谱发射率测量装置，其特征在于，所述反射罩的内表面镀有高反射率涂层。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的材料法向光谱发射率测量装置，其特征在于，所述样品内接控温装置，将热电偶丝一端插入所述样品的中部，另一端通过导线连接温度控制器。