CN110207829B - 一种基于红外光谱仪同时获取材料温度及光谱方向发射率的测量方法 - Google Patents

一种基于红外光谱仪同时获取材料温度及光谱方向发射率的测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于红外光谱仪同时获取材料温度及光谱方向发射率的测量方法，包括：对光谱仪进行标定，得出光谱仪特征函数中的系数；将待测样片置于样片槽内，将样片加热至T1，通过光谱仪测量待测样片表面辐射得到曲线一；微调加热片使被测样片的测量温度发生小于5K的热响应变化；重复步骤二，此时被测样片温度为T2，
Figure DDA0002678126490000011
通过光谱仪测量样片表面光谱辐射能量曲线二；选取两个特定的波长λ1和λ2，得到以下式子：
Figure DDA0002678126490000012
利用全局最优算法解出
Figure DDA0002678126490000013
T1和T2，得到不同时刻被测样片的真温和相对应波长的发射率。本发明是一种仅根据两组相差很小温度下的方向光谱辐射测量曲线同时获取材料光谱方向发射率与温度的新方法。

Description

一种基于红外光谱仪同时获取材料温度及光谱方向发射率的 测量方法
技术领域
本发明属于发射率测量领域，特别是涉及一种基于红外光谱仪同时获取材料温度及光谱方向发射率的测量方法。
背景技术
伴随着技术的发展，科学研究和工业生产对发射率的需求越来越多，如何精确的测量材料表面光谱发射率对导弹尾焰、蒙皮的辐射特性的认知和红外预警、制导、隐身和能源利用、遥感、遥测、辐射测温、红外加热、医学理疗等领域中都有着重要的研究和应用价值。已有文献(戴景民，王新北.材料发射率测量技术及应用[J].计量学报，2005，28(3)：232—236；原遵东，张俊祺，赵军，等.材料光谱发射率精密测量装置[J].仪器仪表学报，2008，29(8)：1659—1664)对材料表面光谱发射率测量进行了相关研究。但现有的材料表面光谱发射率测量方法研究中，多在温度较低的条件下(低于1000K)进行，都需要预先已知温度或采用接触式或非接触式测温技术测量材料表面的温度，而在高温下温度测量误差大，这也导致发射率测量误差较大。而且现有的发射率测量装置一般有着复杂的光路系统，且需要设置参考黑体，待测样片的控温问题和温度不均匀性问题，使得测量误差进一步加大。因此，一种能够应用于较广的温度范围(350K～1500K)精确测量材料表面光谱发射率，且简洁高效的方法显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是实现一种基于红外光谱仪同时获取材料温度及光谱方向发射率的测量方法，以解决现有的测量固体材料光谱发射率的方法在较广温度范围(350K～1500K)下需要预先已知温度或采用接触式或非接触式测温技术测量材料表面的温度，高温下温度测量误差大，光路系统复杂，需要设置参考黑体，待测样片的控温难和温度不均匀性差等问题，
本发明通过以下技术方案实现：一种基于红外光谱仪同时获取材料温度及光谱方向发射率的测量方法，是基于以下测量装置实现的，包括：保温腔体、加热片、待测样片、可控转台和光谱仪，保温腔体竖直安装于可控转台上，所述待测样片的正面与所述保温腔体的内壁连接，且朝向所述光谱仪的信号入口，所述待测样片的背面紧贴所述加热片，所述测量方法包括以下步骤：
步骤一：利用标准黑体炉对光谱仪进行标定，得出如下式光谱仪特征函数中的a，b：
Y＝a·φ(λ,T)+b (1)
式中，Y为光谱曲线图中纵坐标的值，a、b为光谱仪特征函数中的系数，φ(λ,T)为光谱仪所接收到的辐射能量，单位为W/m2；
步骤二：将待测样片置于样片槽内，利用加热片将样片加热至T1，T1≥1000K，并利用所述保温腔体进行保温，此时通过光谱仪测量待测样片表面辐射得到曲线一：
Y＝a·ελ·Ebλ(T1)+b (2)
曲线的横坐标为λ，纵坐标为Y；
步骤三：微调加热片的功率，待被测样片的测量温度发生小于5K的热响应变化时，认为被测样片的光谱发射率不发生变化；重复步骤二，此时被测样片温度为T2，
Figure GDA0002678126480000021
此时通过光谱仪测量样片表面光谱辐射能量曲线二：
Y＝a·ελ·Ebλ(T2)+b (3)
步骤四：选取两个特定的波长λ1和λ2，得到以下式子：
Figure GDA0002678126480000022
Figure GDA0002678126480000023
Figure GDA0002678126480000024
Figure GDA0002678126480000025
步骤五：利用全局最优算法解出
Figure GDA0002678126480000026
T1和T2；所获得的
Figure GDA0002678126480000027
T1和T2就是对应不同时刻被测样片的真温和相对应波长的发射率。
进一步的，在步骤一中，当使用光谱仪测量实际物体时，φ(λ,T)可由下式表示：
φ(λ,T)＝ελEbλ(T) (8)
式中，ελ为波长为λ时所测材料的光谱发射率，Ebλ(T)为黑体辐射力，其单位为W/m2, 其表达式由Plank定律确定：
Figure GDA0002678126480000028
式中，c1和c2分别为第一辐射常数和第二辐射常数。
进一步的，所述加热片为钨片。
本发明的有益效果在于：本发明的一种基于红外光谱仪同时获取材料温度及光谱方向发射率的测量方法，不需要预先知道材料温度或采用接触式或非接触式测温技术测量材料温度，不需要预先设定测量光谱方向发射率随温度和波长的变化的函数关系，也不需要预先知道光谱方向发射率的数值。是一种仅根据两组相差很小温度下的方向光谱辐射测量曲线同时获取材料光谱方向发射率与温度的新方法。解决了现有的测量固体材料光谱发射率的方法较广温度范围(350K～1500K)下需要预先已知温度或采用接触式或非接触式测温技术测量材料表面的温度，高温下温度测量误差大，光路系统复杂，需要设置参考黑体，待测样片的控温难和温度不均匀性差等问题。
附图说明
图1为本发明的一种基于红外光谱仪同时获取材料温度及光谱方向发射率的测量方法的流程图；
图2为本发明的一种基于红外光谱仪同时获取材料温度及光谱方向发射率的测量方法所需装置的结构示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
参照图2所示，本发明提供一种基于红外光谱仪同时获取材料温度及光谱方向发射率的测量装置的一实施例，包括：保温腔体、加热片、待测样片、可控转台和光谱仪，保温腔体竖直安装于可控转台上，待测样片的正面与保温腔体的内壁连接，且朝向光谱仪的信号入口，待测样片的背面紧贴加热片。
具体的，加热片用于加热待测样片，保温腔体可以保证待测样片的温度稳定，保温腔体安装在可控转台上，可控转台可带动保温腔体旋转，方便带动保温腔体内部的待测样片正对光谱仪的信号入口，且可实现多角度测量，光谱仪置于光路系统后，测量相关数据以用于之后计算分析。
如图2所示，在本部分优选实施例中，加热片为钨片。
具体的，电热片为电加热器的一部分，通过电热片可以控制待测样片的温度，从而实现待测样片温度的微调。
参照图1所示，在本部分优选实施例中，本发明还一种基于红外光谱仪同时获取材料温度及光谱方向发射率的测量方法的一实施例，应用于上述的一种基于红外光谱仪同时获取材料温度及光谱方向发射率的测量装置，测量方法包括以下步骤：
步骤一：利用标准黑体炉对光谱仪进行标定，得出如下式光谱仪特征函数中的a，b：
Y＝a·φ(λ,T)+b (1)
式中，Y为光谱曲线图中纵坐标的值，a、b为光谱仪特征函数中的系数，φ(λ,T)为光谱仪所接收到的辐射能量，单位为W/m；
步骤二：将待测样片置于样片槽内，利用加热片将样片加热至T1，T1≥1000K，并利用保温腔体进行保温，此时通过光谱仪测量待测样片表面辐射得到曲线一：
Y＝a·ελ·Ebλ(T1)+b (2)
曲线的横坐标为λ，纵坐标为Y；
步骤三：微调加热片的功率，待被测样片的测量温度发生小于5 K的热响应变化时，认为被测样片的光谱发射率不发生变化；重复步骤二，此时被测样片温度为T2，
Figure GDA0002678126480000041
此时通过光谱仪测量样片表面光谱辐射能量曲线二：
Y＝a·ελ·Ebλ(T2)+b (3)
步骤四：选取两个特定的波长λ1和λ2，得到以下式子：
Figure GDA0002678126480000042
Figure GDA0002678126480000043
Figure GDA0002678126480000044
Figure GDA0002678126480000045
步骤五：利用全局最优算法解出
Figure GDA0002678126480000046
T1和T2；所获得的
Figure GDA0002678126480000047
T1和T2就是对应不同时刻被测样片的真温和相对应波长的发射率。
在本部分优选实施例中，在步骤一中，当使用光谱仪测量实际物体时，φ(λ,T)可由下式表示：
φ(λ,T)＝ελEbλ(T) (8)
式中，ελ为波长为λ时所测材料的光谱发射率，Ebλ(T)为黑体辐射力，其单位为W/m,其表达式由Plank定律确定：
Figure GDA0002678126480000051
式中，c1和c2分别为第一辐射常数和第二辐射常数。
具体的，该方法可解决现有的测量固体材料光谱发射率的方法在较大温度范围内(1000K～1500K)下试件温度需要预先测量，测量起来误差大，材料表面温度分布不均匀，控温困难，需要设置参考黑体，光路系统复杂的技术问题，而提供一种同时获取高温条件下固体材料连续光谱方向发射率及温度的测量方法。

Claims (3)

1.一种基于红外光谱仪同时获取材料温度及光谱方向发射率的测量方法，是基于以下测量装置实现的，测量装置包括：保温腔体、加热片、待测样片、可控转台和光谱仪，保温腔体竖直安装于可控转台上，所述待测样片的正面与所述保温腔体的内壁连接，且朝向所述光谱仪的信号入口，所述待测样片的背面与所述加热片相贴，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：
步骤一：利用标准黑体炉对光谱仪进行标定，得出如下式光谱仪特征函数中的a，b：
Y＝a·φ(λ,T)+b (1)
式中，Y为光谱曲线图中纵坐标的值，a、b为光谱仪特征函数中的系数，φ(λ,T)为光谱仪所接收到的辐射能量，单位为W/m2，λ为曲线的横坐标，T为温度；
步骤二：将待测样片置于保温腔体中的样片槽内，利用加热片将待测样片加热至T1，T1≥1000K，并利用所述保温腔体进行保温，此时通过光谱仪测量待测样片表面辐射得到曲线一：
Y＝a·ελ·Ebλ(T1)+b (2)
其中，曲线的横坐标为λ，纵坐标为Y，ελ为波长为λ时待测样片的光谱发射率，Ebλ(T1)为T1温度下的黑体辐射力，其单位为W/m2；
步骤三：微调加热片的功率，使得待测样片的测量温度发生小于5K的热响应变化，此时，认为被测样片的光谱发射率不发生变化；重复步骤二，此时待测样片温度为T2，
Figure FDA0002682973060000011
此时通过光谱仪测量样片表面光谱辐射能量曲线二：
Y＝a·ελ·Ebλ(T2)+b (3)
其中，Ebλ(T2)为T2温度下的黑体辐射力，其单位为W/m2；
步骤四：选取两个特定的波长λ1和λ2，得到以下式子：
Figure FDA0002682973060000012
Figure FDA0002682973060000013
Figure FDA0002682973060000014
Figure FDA0002682973060000021
步骤五：利用全局最优算法解出
Figure FDA0002682973060000022
T1和T2；所获得的
Figure FDA0002682973060000023
T1和T2就是对应不同时刻待测样片的对应波长的发射率和真温。
2.根据权利要求1所述的一种基于红外光谱仪同时获取材料温度及光谱方向发射率的测量方法，其特征在于，在步骤一中，φ(λ,T)由下式表示：
φ(λ,T)＝ελEbλ(T) (8)
式中，Ebλ(T)为黑体辐射力，其单位为W/m2，其表达式由Plank定律确定：
Figure FDA0002682973060000024
式中，c1和c2分别为第一辐射常数和第二辐射常数。
3.根据权利要求1所述的一种基于红外光谱仪同时获取材料温度及光谱方向发射率的测量方法，其特征在于，所述加热片为钨片。
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