CN110017902A - 高温目标材料红外发射率测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种高温目标材料光谱发射率测量装置及方法，采用基于CVF光谱辐射计的能量比对法，完成对固体样品材料在50～800℃高温、光谱范围1.3～14μm内的光谱发射率的快速准确测量。该装置包含变温标准黑体辐射源系统、样品加热辐射系统、定位/定向系统、辐射测量系统。该方法通过测量标准漫反射板信号，减小了测量环境因素的影响，提高了测量结果的准确率；通过设计独特的石墨薄层加热辐射模块解决了样品辐射均匀性问题；通过控制定位/定向系统可以测量得到多夹角方向的光谱发射率。本发明各模块组件独立，易于拆卸移动，数据结果准确率高，可推广应用于航空航天、兵器等领域，为进一步开展固体材料红外辐射特性研究提供基本条件保障。
Description
技术领域
本发明属于光学测量技术领域，主要涉及一种样品材料光谱发射率测量方法，尤其涉及一种固体不透明材料在高温下光谱发射率测量装置及方法。
背景技术
材料的光谱发射率是表征材料表面红外辐射能力大小的物理量，是描述物体热辐射特性的重要参数，在辐射测温、红外制导和红外隐身等领域有着重要的应用价值。发射率测量有直接法和间接法，间接法通过测量物体表面反射率，计算得到发射率，此方法易受物体表面状态的影响，测量结果不稳定；直接法主要包括量热法、辐射能量法，其中辐射能量法以发射率定义为依据，是目前常用的方法，其主要采用红外傅立叶光谱仪进行测量，但红外傅立叶光谱仪本身对测试样品材料的温度有限制，难以应用于高温目标材料红外发射率测量，而且由于红外傅立叶光谱仪自身精度等原因，现有方法都只是测量测试样品法向发射率，没有能够测量其他角度方向上的发射率。所以目前基于红外傅立叶光谱仪的测量方法已经不能满足高温目标材料红外发射率测量需求。
发明内容
本发明的目的是针对目前材料光谱发射率测量的难题，提出一种高温目标材料红外发射率测量装置及方法，采用基于CVF光谱辐射计的辐射能量比对法，完成对高温(50～800℃)固体材料在不同测量方向的光谱发射率的高精度测量。
本发明的技术方案为：
所述的一种高温目标材料光谱发射率测量装置，其特征在于：包括变温标准黑体辐射源系统、样品加热辐射系统、定位/定向系统、辐射测量系统；
所述变温标准黑体辐射源系统包括变温标准黑体和变温黑体温度控制器；所述样品加热辐射系统包括样品加热炉、样品槽、样品温度控制器和标准漫反射板，所述标准漫反射板能够放置在样品槽中；所述定位/定向系统包括平移台、旋转台、平移/旋转位置控制器；所述辐射测量系统包括CVF光谱辐射计和计算机分析处理系统；
变温标准黑体放置在平移台上；加热炉放置在旋转台上，旋转台安装在平移台上；样品槽固定在加热炉出口位置处；变温标准黑体和加热炉两者相距设定的固定距离，变温标准黑体的出口方向垂直于平移台移动方向；变温标准黑体出口中心和加热炉出口中心在同一水平线上；
CVF光谱辐射计固定在变温标准黑体的出口方向上，与平移台距离不小于3米，且变温标准黑体出口中心、加热炉出口中心和CVF光谱辐射计测量窗口中心三者在同一高度上。
进一步的优选方案，所述一种高温目标材料光谱发射率测量装置，其特征在于：加热炉中的加热装置材料采用可耐高温石墨层，在加热装置材料的后面贴有硅酸铝保温材料，且保温材料紧密结合石墨层。
所述的一种高温目标材料光谱发射率测量的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：移动平移台，使变温标准黑体出口中心和CVF光谱辐射计测量窗口中心的连线在变温标准黑体出口面的法线方向上，通过变温标准黑体温控器将变温标准黑体升温至待测温度点T并稳定；由CVF光谱辐射计测量变温标准黑体的红外辐射信号，起始波长λ1，截至波长λm，测量次数n，由计算机分析处理系统得到一组辐射能量信号Sb1(λi,T)、Sb2(λi,T)、Sb3(λi,T)，…，Sbn(λi,T)，其中i＝1，2，…，m；
步骤2：移动平移台，使样品加热炉处于步骤1中变温标准黑体位置；调整旋转台使加热炉出口中心和CVF光谱辐射计测量窗口中心的连线在样品槽法线方向上，将标准漫反射板放置在样品槽内；由CVF光谱辐射计测量标准漫反射板在环境温度下的红外辐射信号，起始波长λ1，截至波长λm，测量次数n，由计算机分析处理系统得到一组辐射能量信号SR1(λi)、SR2(λi)、SR3(λi)，…，SRn(λi)，其中i＝1，2，…，m；
步骤3：取下标准漫反射板，将测试样件放置在样品槽内；调整旋转台，使加热炉出口中心和CVF光谱辐射计测量窗口中心的连线与样品槽法线方向成夹角θ，通过样品温度控制器将加热炉升温至待测温度点T并稳定；由CVF光谱辐射计测量测试样件的红外辐射信号，起始波长λ1，截至波长λm，测量次数n，由计算机分析处理系统得到一组辐射能量信号Sθ1(λi,T)、Sθ2(λi,T)、Sθ3(λi,T)，…，Sθn(λi,T)，其中i＝1，2，……，m；
步骤4：根据下列公式计算测试样件在θ角度方向上对应波长λi下的红外发射率：
Sb(λi,T)＝(Sb1(λi,T)+Sb2(λi,T)+......Sbn(λi,T))/n；
SR(λi)＝(SR1(λi)+SR2(λi)+......SRn(λi))/n；
Sθ(λi,T)＝(Sθ1(λi,T)+Sθ2(λi,T)+......Sθn(λi,T))/n；
其中Sb(λi,T)为变温标准黑体在温度点T对应波长λi下的n次测量输出能量信号平均值；SR(λi)为标准漫反射板在波长λi下的n次测量输出能量信号平均值；Sθ(λi,T)为测试样件在θ夹角方向上，加热炉温度点T对应波长λi下的n次测量输出能量信号平均值；εθ(λi,T)为测试样件在θ角度方向上对应波长λi下的光谱发射率；
步骤5：调整旋转台，改变加热炉出口中心和CVF光谱辐射计测量窗口中心的连线与样品槽法线方向夹角，重复步骤3和步骤4，得到其余角度下的测试样件红外发射率，继而得到测试样件红外发射率随测量角的变化规律。
有益效果
本发明的整体技术效果体现在以下三个方面。
⑴本发明通过定位/定向系统的旋转台改变测试样品的测量角(加热炉出口中心和红外辐射计测量窗口中心连线与样品槽加热面法向之间的夹角)，解决了测量固体样品法向发射率单一化的难题，可以得到不同方向的发射率测量结果，归纳总结发射率随测量角的变化规律。
⑵本发明选择了带有高精度内部参考黑体的CVF光谱辐射计，内部参考黑体随环境温度实时变化，精度优于0.1℃，有效的抑制剔除环境温度变化引起的影响；本发明通过先测量标准漫反射板信号(所谓的标准漫反射板，就是反射率极高的一块标准板，按能量守恒及基尔霍夫定律可知，非透射材料其辐射系数与反射系数之和为1，故自身辐射能可以忽略不计)，消除了环境背景中的热辐射源投射到样品表面，再经样品表面反射而进入到探测器光敏面所造成的影响；提高了光谱发射率测量的精度。
⑶本发明设计的加热炉加热材料采用可耐高温石墨层制成，在加热装置材料后面贴有一层硅酸铝保温材料，并使其紧密结合，减少了热量和外壳之间的损失，解决了样品辐射均匀性的问题，确保有效地将所有热量辐射被测样品材料，提高了测试结果的准确率。
附图说明
图1是本发明高温目标材料光谱发射率测量装置的组成示意图。
图中：1、样品加热炉；2、样品槽(放置测试样件、标准漫反射板)；3、变温标准黑体；4、平移台；5、旋转台；6、平移/旋转位置控制器；7、温度控制系统(变温黑体温度控制器、样品温度控制器)；8、CVF光谱辐射计；9、计算机分析处理系统。
具体实施方式
下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。
为了实现高温固体红外样品材料光谱发射率的测试，本发明的总体构思是，通过搭建高温目标材料光谱发射率测量装置，采用基于CVF光谱辐射计的辐射能量比对法，实现对高温样品材料的不同方向的光谱发射率的准确测试。同时，本发明通过对多次测量辐射信号叠加平均运算的方法，有效地减小了测量误差，提高了测量精度。
高温目标材料光谱发射率测量装置如图1所示，主要由变温标准黑体辐射源系统、样品加热辐射系统、定位/定向系统、辐射测量系统等组成。其中，变温标准黑体辐射源系统由变温标准黑体和变温黑体温度控制器组成，样品加热辐射系统由样品加热炉、样品槽(用于放置测试样件、标准漫反射板)、样品温度控制器组成，定位/定向系统由平移台、旋转台、平移/旋转位置控制器组成，辐射测量系统由CVF光谱辐射计和计算机分析处理系统组成。定位/定向系统安装在光学平台上。
变温标准黑体放置在平移台上，加热炉放置在旋转台上，旋转台安装在平移台上，变温标准黑体和加热炉两者距离一定固定距离，通过调节旋转台与平移台之间的支架高度，使变温标准黑体出口中心和加热炉出口中心在同一水平线上。
变温标准黑体放置在平移台上；加热炉放置在旋转台上，旋转台安装在平移台上；样品槽固定在加热炉出口位置处；变温标准黑体和加热炉两者相距设定的固定距离，变温标准黑体的出口方向垂直于平移台移动方向；变温标准黑体出口中心和加热炉出口中心在同一水平线上；
CVF光谱辐射计固定在变温标准黑体的出口方向上，与平移台距离不小于3米，通过调节CVF光谱辐射计的三角支架高度，使变温标准黑体出口中心、加热炉出口中心和CVF光谱辐射计测量窗口中心三者在同一高度上。
采用以上装置进行的高温目标材料光谱发射率测量的方法，包括以下步骤：
步骤1：移动平移台，使变温标准黑体出口中心和CVF光谱辐射计测量窗口中心的连线在变温标准黑体出口面的法线方向上，通过变温标准黑体温控器将变温标准黑体升温至待测温度点T并稳定；由CVF光谱辐射计测量变温标准黑体的红外辐射信号，起始波长λ1，截至波长λm，测量次数n，由计算机分析处理系统得到一组辐射能量信号Sb1(λi,T)、Sb2(λi,T)、Sb3(λi,T)，…，Sbn(λi,T)，其中i＝1，2，…，m；
步骤2：移动平移台，使样品加热炉处于步骤1中变温标准黑体位置；调整旋转台使加热炉出口中心和CVF光谱辐射计测量窗口中心的连线在样品槽法线方向上，将标准漫反射板放置在样品槽内；由CVF光谱辐射计测量标准漫反射板在环境温度下的红外辐射信号，起始波长λ1，截至波长λm，测量次数n，由计算机分析处理系统得到一组辐射能量信号SR1(λi)、SR2(λi)、SR3(λi)，…，SRn(λi)，其中i＝1，2，…，m；
步骤3：取下标准漫反射板，将测试样件放置在样品槽内；调整旋转台，使加热炉出口中心和CVF光谱辐射计测量窗口中心的连线与样品槽法线方向成夹角θ，通过样品温度控制器将加热炉升温至待测温度点T并稳定；由CVF光谱辐射计测量测试样件的红外辐射信号，起始波长λ1，截至波长λm，测量次数n，由计算机分析处理系统得到一组辐射能量信号Sθ1(λi,T)、Sθ2(λi,T)、Sθ3(λi,T)，…，Sθn(λi,T)，其中i＝1，2，……，m；
步骤4：根据下列公式计算测试样件在θ角度方向上对应波长λi下的红外发射率：
Sb(λi,T)＝(Sb1(λi,T)+Sb2(λi,T)+......Sbn(λi,T))/n；
SR(λi)＝(SR1(λi)+SR2(λi)+......SRn(λi))/n；
Sθ(λi,T)＝(Sθ1(λi,T)+Sθ2(λi,T)+......Sθn(λi,T))/n；
其中Sb(λi,T)为变温标准黑体在温度点T对应波长λi下的n次测量输出能量信号平均值；SR(λi)为标准漫反射板在波长λi下的n次测量输出能量信号平均值；Sθ(λi,T)为测试样件在θ夹角方向上，加热炉温度点T对应波长λi下的n次测量输出能量信号平均值；εθ(λi,T)为测试样件在θ角度方向上对应波长λi下的光谱发射率；
步骤5：调整旋转台，改变加热炉出口中心和CVF光谱辐射计测量窗口中心的连线与样品槽法线方向夹角，重复步骤3和步骤4，得到其余角度下的测试样件红外发射率，继而得到测试样件红外发射率随测量角的变化规律。
Claims (3)
1.一种高温目标材料光谱发射率测量装置，其特征在于：包括变温标准黑体辐射源系统、样品加热辐射系统、定位/定向系统、辐射测量系统；
所述变温标准黑体辐射源系统包括变温标准黑体和变温黑体温度控制器；所述样品加热辐射系统包括样品加热炉、样品槽、样品温度控制器和标准漫反射板，所述标准漫反射板能够放置在样品槽中；所述定位/定向系统包括平移台、旋转台、平移/旋转位置控制器；所述辐射测量系统包括CVF光谱辐射计和计算机分析处理系统；
变温标准黑体放置在平移台上；加热炉放置在旋转台上，旋转台安装在平移台上；样品槽固定在加热炉出口位置处；变温标准黑体和加热炉两者相距设定的固定距离，变温标准黑体的出口方向垂直于平移台移动方向；变温标准黑体出口中心和加热炉出口中心在同一水平线上；
CVF光谱辐射计固定在变温标准黑体的出口方向上，与平移台距离不小于3米，且变温标准黑体出口中心、加热炉出口中心和CVF光谱辐射计测量窗口中心三者在同一高度上。
2.根据权利要求1所述一种高温目标材料光谱发射率测量装置，其特征在于：加热炉中的加热装置材料采用可耐高温石墨层，在加热装置材料的后面贴有硅酸铝保温材料，且保温材料紧密结合石墨层。
3.利用权利要求1所述装置实现高温目标材料光谱发射率测量的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：移动平移台，使变温标准黑体出口中心和CVF光谱辐射计测量窗口中心的连线在变温标准黑体出口面的法线方向上，通过变温标准黑体温控器将变温标准黑体升温至待测温度点T并稳定；由CVF光谱辐射计测量变温标准黑体的红外辐射信号，起始波长λ1，截至波长λm，测量次数n，由计算机分析处理系统得到一组辐射能量信号Sb1(λi,T)、Sb2(λi,T)、Sb3(λi,T)，…，Sbn(λi,T)，其中i＝1，2，…，m；
步骤2：移动平移台，使样品加热炉处于步骤1中变温标准黑体位置；调整旋转台使加热炉出口中心和CVF光谱辐射计测量窗口中心的连线在样品槽法线方向上，将标准漫反射板放置在样品槽内；由CVF光谱辐射计测量标准漫反射板在环境温度下的红外辐射信号，起始波长λ1，截至波长λm，测量次数n，由计算机分析处理系统得到一组辐射能量信号SR1(λi)、SR2(λi)、SR3(λi)，…，SRn(λi)，其中i＝1，2，…，m；
步骤3：取下标准漫反射板，将测试样件放置在样品槽内；调整旋转台，使加热炉出口中心和CVF光谱辐射计测量窗口中心的连线与样品槽法线方向成夹角θ，通过样品温度控制器将加热炉升温至待测温度点T并稳定；由CVF光谱辐射计测量测试样件的红外辐射信号，起始波长λ1，截至波长λm，测量次数n，由计算机分析处理系统得到一组辐射能量信号Sθ1(λi,T)、Sθ2(λi,T)、Sθ3(λi,T)，…，Sθn(λi,T)，其中i＝1，2，……，m；
步骤4：根据下列公式计算测试样件在θ角度方向上对应波长λi下的红外发射率：
Sb(λi,T)＝(Sb1(λi,T)+Sb2(λi,T)+......Sbn(λi,T))/n；
SR(λi)＝(SR1(λi)+SR2(λi)+......SRn(λi))/n；
Sθ(λi,T)＝(Sθ1(λi,T)+Sθ2(λi,T)+......Sθn(λi,T))/n；
其中Sb(λi,T)为变温标准黑体在温度点T对应波长λi下的n次测量输出能量信号平均值；SR(λi)为标准漫反射板在波长λi下的n次测量输出能量信号平均值；Sθ(λi,T)为测试样件在θ夹角方向上，加热炉温度点T对应波长λi下的n次测量输出能量信号平均值；εθ(λi,T)为测试样件在θ角度方向上对应波长λi下的光谱发射率；
步骤5：调整旋转台，改变加热炉出口中心和CVF光谱辐射计测量窗口中心的连线与样品槽法线方向夹角，重复步骤3和步骤4，得到其余角度下的测试样件红外发射率，继而得到测试样件红外发射率随测量角的变化规律。
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