CN110530524B - 一种基于能量法的方向发射率快速测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于能量法的方向发射率快速测量装置，包括半抛物面反射镜，半抛物面反射镜的右侧沿光传输方向设有第一离轴抛物面反射镜，第一离轴抛物面反射镜的焦点处设有光阑；光阑的下方设有第二离轴抛物面反射镜，第二离轴抛物面反射镜的右侧沿光传输方向设有光电探测器；所述半抛物面反射镜的下方设有加热器和中温黑体，加热器和中温黑体分别设置于电动位移台上，且加热器中样品的表面及中温黑体的孔径中心与半抛物面反射镜的轴截面重合；本发明装置能够在较短的时间内完成材料方向光谱发射率的测量，有效减小测量时间，保证测量结果的准确性。
Description
技术领域
本发明属于材料热物性测量技术领域，具体设计一种基于能量法的方向发射率快速测量装置。
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，是一项重要的热物性参数，在辐射测温、红外制导、卫星遥感、红外加热等领域有着重要的应用价值。
方向发射率的测量方法可以分为两种：一种是反射法，即先通过测量方向反射率，进而计算求出方向发射率，此方法仅限于测量不透明材料；另一种是直接测量法，即分别测量同一角度下材料的红外辐射和黑体的红外辐射，然后根据定义计算出方向发射率数值。
直接测量法目前有两种主要的形式：一是探测装置不动，通过旋转样品来测量方向发射率，此种方法对于测量高温样品存在很大的技术困难，因为温度很高时，加热样品所需的加热装置体积也很大，无论是旋转样品还是旋转加热装置都十分困难；另一种是被测样品不动，通过移动探测装置的位置来测量方向发射率，旋转探测装置对于光路的调整技术要求很高，此外，对于一些体积较大的探测装置的旋转也十分困难，如傅立叶红外光谱仪。因此需要研发一种新的能够准确快速测量方向发射率的装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于能量法的方向发射率快速测量装置。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于能量法的方向发射率快速测量装置，包括半抛物面反射镜，半抛物面反射镜的右侧沿光传输方向设有第一离轴抛物面反射镜，第一离轴抛物面反射镜的轴截面与半抛物面反射镜的轴截面平行，且第一离轴抛物面反射镜的内抛面与半抛物面反射镜的内抛面相对应；第一离轴抛物面反射镜的焦点处设有光阑；光阑的下方沿光传输方向设有第二离轴抛物面反射镜，第二离轴抛物面反射镜的焦点与第一离轴抛物面反射镜的焦点重合，第二离轴抛物面反射镜的右侧沿光传输方向设有光电探测器；所述半抛物面反射镜的下方设有加热器和中温黑体，加热器和中温黑体分别设置于电动位移台上，且加热器中样品的表面及中温黑体的孔径中心与半抛物面反射镜的轴截面重合，通过电动位移台实现加热器和中温黑体的移动，通过移动可以实现半抛物面反射镜的焦点位于样品的待测区域内，并且半抛物面反射镜的焦点与中温黑体的几何中心重合。
优选的，为了方便测量和使用，所述加热器为平板加热器；平板加热装置本身带有样品区，能够放置样品。
优选的，所述加热器和电动位移台之间设有电动旋转台，加热器设置在电动旋转台上，电动旋转台位于电动位移台上。电动旋转台能够实现加热器的旋转，进而实现样品的转动。
优选的，所述光电探测器为CCD阵列、可三维移动的单点探测器或可二维移动的线阵探测器。
为了保证测量的准确性，第一离轴抛物面反射镜需要接收半抛物面反射镜由焦点发出的全部反射光线，本领域技术人员可以根据需求选择离轴抛物面反射镜和半抛物面反射镜的大小、位置关系等。
利用上述装置测量方向发射率的方法，包括以下步骤：
步骤1：开启加热器，将样品加热到设定温度；
步骤2：当温度达到所需温度时，用计算机控制电动位移台，将待测样品移动至测量位置使样品表面与半抛物面反射镜的轴截面重合，保证半抛物面反射镜的焦点在样品的待测区域内，用光电探测器记录样品在1/4空间内各个方向下的辐射能量值；
步骤3：用计算机控制电动旋转台转动180°，重复步骤2即可得到样品半空间内各个方向下的辐射能量值；
步骤4：将中温黑体的温度升高至与样品相同温度，用计算机控制电动位移台移动中温黑体，使中温黑体腔上截面的几何中心与半抛物面反射镜的焦点重合，测量中温黑体法向的辐射能量值；需要说明的是：理想黑体的辐射强度在各个方向上是相等的，这里取黑体腔中心的法向辐射强度；
步骤5：计算机将两次记录的数据进行提取计算，所记录的样品辐射能量值和中温黑体辐射能量值进行计算得出样品的方向发射率。
众所周知，在高温下目标表面会随着加热时间的变化，主要包括表面围观形貌、氧化等，这些因素会对测量结果产生明显的影响，如果测量时间过长则无法对目标表面进行准确表征，从而影响测量结果的准确性。本发明根据抛物面镜的光学性质（即从抛物面镜焦点发出的光经过抛物面镜的反射后平行于抛物面镜的轴截面，平行于抛物面镜轴截面的光经过抛物面镜的反射后在焦点会聚）设计测量装置，能够在较短的时间内完成材料方向光谱发射率的测量，能够有效减小测量时间；同时通过半抛物面反射镜将三维空间辐射的测量转换为二维测量，并采用光电探测器，减少了测量系统的转动装置，进一步有效地减小了测量时间，从而避免加热时间对测量结果的影响。
本发明装置能够在较短的时间内完成材料方向光谱发射率的测量，有效减小测量时间，保证测量结果的准确性；并且样品的移动可以实现目标表面在不同天顶角和方位角的发射率测量，能够全面提供目标表面的空间辐射特性，尤其是各向异性表面；同时本发明装置的测量光路具有很强的开放性，能够根据测量需要对测量装置进行升级，通过添加偏振片可以实现极化光谱方向发射率的测量，适用性强。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
一种基于能量法的方向发射率快速测量装置，包括半抛物面反射镜1，半抛物面反射镜1的右侧沿光传输方向设有第一离轴抛物面反射镜2，第一离轴抛物面反射镜2的轴截面与半抛物面反射镜1的轴截面平行，且第一离轴抛物面反射镜2的内抛面与半抛物面反射镜1的内抛面相对应；第一离轴抛物面反射镜2的焦点处设有光阑3；光阑3的下方沿光传输方向设有第二离轴抛物面反射镜4，第二离轴抛物面反射镜4的焦点与第一离轴抛物面反射镜2的焦点重合，第二离轴抛物面反射镜4的右侧沿光传输方向设有光电探测器5；所述半抛物面反射镜1的下方设有加热器7和中温黑体9，加热器7和中温黑体9分别设置于电动位移台6上，且加热器7中样品的表面及中温黑体9的孔径中心与半抛物面反射镜1的轴截面重合，通过电动位移台6实现加热器7和中温黑体9的移动，通过移动可以实现半抛物面反射镜1的焦点位于样品的待测区域内。
所述加热器7为平板加热器；平板加热装置本身带有样品区，能够放置样品。
所述加热器7和电动位移台6之间设有电动旋转台8，加热器7设置在电动旋转台8上，电动旋转台8位于电动位移台6上。电动旋转台6能够实现加热器7的旋转，进而实现样品的转动。
所述光电探测器5为CCD阵列。
使用时，根据需求开启加热器7对样品和进行加热，通过电动位移台6移动加热器7或者中温黑体9，半抛物面反射镜1的焦点处发出的光经半抛物面反射镜1反射，然后在经第一离轴抛物面反射镜2、光阑3、第二离轴抛物面反射镜4传输给光电探测器5采集数据。
利用上述测量装置测量方向发射率的方法，包括以下步骤：
步骤1：在加热器7上设定要加热的时间和温度，开启加热器7对样品和进行加热；
步骤2：当温度达到所需温度时，用计算机控制电动位移平台6，将待测样品移动至测量位置使样品表面与半抛物面反射镜1的轴截面重合，保证半抛物面反射镜1的焦点在样品的待测区域内，用光电探测器5记录样品在1/4空间内各个方向下的辐射能量值；
步骤3：用计算机控制电动旋转台8转动180°，重复步骤2即可得到样品半空间内各个方向下的辐射能量值；
步骤4：将中温黑体9的温度升高至与样品相同，用计算机控制电动位移台移动中温黑体9，使中温黑体腔上截面的几何中心与半抛物面反射镜1的焦点重合，测量中温黑体9法向的辐射能量值；
步骤5：计算机将两次记录的数据进行提取计算，所记录的样品辐射能量值和中温黑体辐射能量值进行计算得出样品的方向发射率。
本发明能够在较短的时间内完成材料方向光谱发射率的测量，能够有效减小测量时间，从而避免加热时间对测量结果的影响。本发明装置测量光路具有很强的开放性，能够根据测量需要对测量装置进行升级，通过添加偏振片可以实现极化光谱方向发射率的测量。
Claims (4)
1.一种基于能量法的方向发射率快速测量装置，其特征在于，包括半抛物面反射镜，半抛物面反射镜的右侧沿光传输方向设有第一离轴抛物面反射镜，第一离轴抛物面反射镜的轴截面与半抛物面反射镜的轴截面平行，且第一离轴抛物面反射镜的内抛面与半抛物面反射镜的内抛面相对应；第一离轴抛物面反射镜的焦点处设有光阑；光阑的下方沿光传输方向设有第二离轴抛物面反射镜，第二离轴抛物面反射镜的焦点与第一离轴抛物面反射镜的焦点重合，第二离轴抛物面反射镜的右侧沿光传输方向设有光电探测器；所述半抛物面反射镜的下方设有加热器和中温黑体，加热器和中温黑体分别设置于电动位移台上，且加热器中样品的表面及中温黑体的孔径中心与半抛物面反射镜的轴截面重合；所述加热器和电动位移台之间设有电动旋转台，加热器设置在电动旋转台上，电动旋转台位于电动位移台上。
2.根据权利要求1所述的一种基于能量法的方向发射率快速测量装置，其特征在于，所述加热器为平板加热器。
3.根据权利要求1所述的一种基于能量法的方向发射率快速测量装置，其特征在于，所述光电探测器为CCD阵列、可三维移动的单点探测器或可二维移动的线阵探测器。
4.一种利用权利要求1-3任一所述的一种基于能量法的方向发射率快速测量装置测量的方法，包括以下步骤：
步骤1：开启加热器，将样品加热到设定温度；
步骤2：当温度达到所需温度时，用计算机控制电动位移台，将待测样品移动至测量位置使样品表面与半抛物面反射镜的轴截面重合，保证半抛物面反射镜的焦点在样品的待测区域内，用光电探测器记录样品在1/4空间内各个方向下的辐射能量值；
步骤3：用计算机控制电动旋转台转动180°，重复步骤2即可得到样品半空间内各个方向下的辐射能量值；
步骤4：将中温黑体的温度升高至与样品相同温度，用计算机控制电动位移台移动中温黑体，使中温黑体腔上截面的几何中心与半抛物面反射镜的焦点重合，测量中温黑体法向的辐射能量值；
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