CN110530525B - 一种基于反射法的方向发射率测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于反射法的方向发射率测量装置，包括加热器和光源，光源的一侧设有平面反射镜，平面反射镜的镜面与光源主光轴的夹角为45°；平面反射镜的一侧沿光传输方向设有分束立方体；分束立方体的一侧设有半抛物面反射镜，半抛物面反射镜的一侧设有离轴抛物面反射镜，离轴抛物面反射镜的焦点处设有光电探测器；所述加热器中样品表面与半抛物面反射镜的轴截面重合；同时公开了一种测量方法；本发明能够快速准确测量材料表面在全空间的反射强度，测量时间短，能够适用于各种材料表面；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。

Description

一种基于反射法的方向发射率测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于材料热物性测量技术领域，具体涉及一种基于反射法的方向发射率测量装置及测量方法。

背景技术

发射率（emissivity）指物体的辐射能力与相同温度下黑体的辐射能力之比称为该物体的发射率或黑度，也称为辐射率，比辐射率。

发射率检测方法有多种，可以采用反射法测量发射率，具体原理如下：根据能量守恒定律，不透明材料的光谱吸收率α(λ,θ,φ,T)可以表示为：

α(λ,θ,φ,T)=1-ρ(λ,θ_i,φ_i,T)

式中ρ(λ,θ,φ,T)为光谱发射率；

材料表面温度处于稳定状态时，由基尔霍夫定律可知，材料的发射率等于吸收率，即：

ε(λ,θ,φ,T) = α(λ,θ_i,φ_i,T)

根据以上两式，处于热平衡状态下的材料光谱发射率可以表示为：

ε(λ,θ,φ,T) = α(λ,θ,φ,T)= 1-ρ(λ,θ_i,φ_i,T)

上式即为反射法测量发射率的原理。但现实中的多数目标表面既不是光滑的镜面，也不是理想的朗伯体，而是介于两者之间的粗糙表面。一束光照射到粗糙表面之后除了在镜面反射方向的反射外，还有在其他方向上的散射。基于实际情况，准确测量给定入射角度下材料表面全空间的发射和散射强度是采用反射法测量方向发射率的关键。因此需要研发一种能够准确测量快速准确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反射法的方向发射率测量装置，同时提供一种利用该装置测量的方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于反射法的方向发射率测量装置，包括加热器和光源，光源的一侧设有平面反射镜，平面反射镜的镜面与光源主光轴的夹角为45°；平面反射镜的一侧沿光传输方向设有分束立方体；分束立方体的一侧沿分束立方体的反射光传输方向设有半抛物面反射镜，半抛物面反射镜的轴截面与分束立方体的反射光平行；半抛物面反射镜的一侧设有离轴抛物面反射镜，半抛物面反射镜的内抛面与离轴抛物面反射镜的内抛面相对应，且半抛物面反射镜的轴截面与离轴抛物面反射镜的轴截面平行；所述分束立方体位于半抛物面反射镜和离轴抛物面反射镜之间；离轴抛物面反射镜的焦点处设有光电探测器；所述加热器中样品表面与半抛物面反射镜的轴截面重合，且半抛物面反射镜焦点位于样品表面的待测区域内。

优选的，为了保证测量的准确性，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，同时调整分束立方体的透过性，以保证半抛物面反射镜由焦点发出的全部反射光线通过。

所述离轴抛物面镜位于沿半抛物面反射镜的反射光线传输方向，所述半抛物面反射镜的反射光线为由半抛物面反射镜的焦点发出的光线经半抛物面反射镜反射的光线。

优选的，所述加热器为平板加热器，平板加热器上带有样品放置区，能够对样品进行加热；为了方便对样品的多角度进行检测，所述加热器位于电动旋转台上，实现样品的旋转。

优选的，所述光源位于第一电动位移台上，第一电动位移台的移动方向与主光轴垂直；所述平面反射镜位于第二电动位移台上，第二电动位移台的移动方向与主光轴平行；第一电动位移台和第二电动位移台实现了光源和平面反射镜的一维运动，光源的一维移动和平面反射镜的一维移动相结合，实现了入射天顶角和方位角的独立变化，测量角度范围大。

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：在放置样品之前，放置经过标定的高反射保护金膜平面反射镜，测量光源的强度I_S；

步骤2：测量时将样品放置在半抛物面镜的轴截面处，使样品表面与抛物面镜的轴截面重合，且抛物面镜焦点位于样品表面的待测区域内；

步骤3：开启加热器，将样品加热到设定温度；

步骤4：将光源移动至设定位置，打开光源，打开光电探测器，计算机记录探测器数值，即可得到材料表面在四分之一球面空间反射和散射强度I_H1(λ, θ_i,φ_i, T)；

步骤5：将加热器绕焦点处表面的法线旋转180°，步骤2-4即可得到目标表面在另外四分之一球面空间反射和散射强度I_H2(λ，θ_iφ_i，T)；

步骤6：计算材料表面在全空间的反射率ρ(λ,θ_i,φ_i， T)=(I_H1+I_H2)/ I_S, 从而计算材料表面的方向发射率。

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，实现反射法测量材料表面的方向发射率；通过半抛物面将目标表面在三维空间的反射和散射会聚成一个点，减少了测量系统的转动装置，有效地减小了测量时间；并且通过光源和平面反射镜的运动，实现测量角度的大范围变化，理论上可以实现天顶角范围为0°-90°，方位角范围为0°-360°的方向发射率的测量。

本发明装置能够快速准确测量材料表面在全空间的反射强度，测量时间短，能够适用于各种材料表面；同时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。并且本法发明的测量装置的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，实用效果好。

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。

一种基于反射法的方向发射率测量装置，包括加热器5和光源1，光源1的右侧设有平面反射镜2，平面反射镜2的镜面与光源1主光轴11的夹角为45°；平面反射镜2的下方沿光传输方向设有分束立方体3；分束立方体3的左侧沿分束立方体3的反射光传输方向设有半抛物面反射镜4，半抛物面反射镜4的轴截面与分束立方体3的反射光平行；半抛物面反射镜4的右侧设有离轴抛物面反射镜6，半抛物面反射镜4的内抛面与离轴抛物面反射镜6的内抛面相对应，且半抛物面反射镜4的轴截面与离轴抛物面反射镜6的轴截面平行；所述分束立方体3位于半抛物面反射镜4和离轴抛物面反射镜6之间；离轴抛物面反射镜6的焦点处设有光电探测器7；所述加热器5中样品表面与半抛物面反射镜4的轴截面重合，且半抛物面反射镜4焦点位于样品表面的待测区域内。

所述离轴抛物面反射镜6的大小和角度以能全部接收半抛物面反射镜4的由焦点发出的反射光为标准。

所述加热器5为平板加热器，平板加热器上带有样品放置区，本领域技术人员可以在市场上购买；所述加热器5位于电动旋转台8上，实现样品的旋转。

所述光源1位于第一电动位移台9上，第一电动位移台9的移动方向与主光轴11垂直；所述平面反射镜2位于第二电动位移台10上，第二电动位移台10的移动方向与主光轴平行；第一电动位移台9和第二电动位移台10实现了光源1和平面反射镜2的一维运动，光源1的一维移动和平面反射镜2的一维移动相结合，实现了入射天顶角和方位角的独立变化。

使用时，调整第一电动位移台9和第二电动位移台10的使光源1和平面反射镜2达到设定位置，打开光源1，主光轴11经平面反射镜2反射后到达分束立方体4，然后分束后的反射光平行射入半抛物面反射镜4，在半抛物面反射镜4的焦点处汇合；此时加热器5已经对样品进行加热，半抛物面反射镜4焦点位于样品表面的待测区域内，样品发出的光经半抛物面反射镜4反射、离轴抛物面反射镜6汇集在光电探测器7上，即可采集数据。

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：在放置样品之前，放置经过标定的高反射保护金膜平面反射镜，打开光源，测量光源的强度I_S；

步骤2：测量时将样品放置在半抛物面镜的轴截面处，使样品表面与抛物面镜的轴截面重合，且抛物面镜焦点位于样品表面的待测区域内；

步骤3：开启加热器，将样品加热到设定温度；

步骤4：将光源移动至设定位置，打开光源，打开光电探测器，计算机记录探测器数值，即可得到材料表面在四分之一球面空间反射和散射强度I_H1(λ, θ_i,φ_i, T)；

步骤5：将加热器绕焦点处表面的法线旋转180°，重复步骤2-4即可得到目标表面在另外四分之一球面空间反射和散射强度I_H2(λ，θ_iφ_i，T)；

步骤6：计算材料表面在全空间的反射率ρ(λ,θ_i,φ_i， T)=(I_H1+I_H2)/ I_S, 从而计算材料表面的方向发射率。

本发明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，并且能够快速准确测量材料表面在全空间的反射强度，能够适用于各种材料表面。

Claims (6)

1.一种基于反射法的方向发射率测量装置，其特征在于，包括加热器和光源，光源的一侧设有平面反射镜，平面反射镜的镜面与光源主光轴的夹角为45°；平面反射镜的一侧沿光传输方向设有分束立方体；分束立方体的一侧沿分束立方体的反射光传输方向设有半抛物面反射镜，半抛物面反射镜的轴截面与分束立方体的反射光平行；半抛物面反射镜的一侧设有离轴抛物面反射镜，半抛物面反射镜的内抛面与离轴抛物面反射镜的内抛面相对应，且半抛物面反射镜的轴截面与离轴抛物面反射镜的轴截面平行；所述分束立方体位于半抛物面反射镜和离轴抛物面反射镜之间；离轴抛物面反射镜的焦点处设有光电探测器；所述加热器中样品表面与半抛物面反射镜的轴截面重合，且半抛物面反射镜焦点位于样品表面的待测区域内。

2.根据权利要求1所述的一种基于反射法的方向发射率测量装置，其特征在于，所述加热器为平板加热器。

3.根据权利要求1所述的一种基于反射法的方向发射率测量装置，其特征在于，所述加热器位于电动旋转台上。

4.根据权利要求1所述的一种基于反射法的方向发射率测量装置，其特征在于，所述光源位于第一电动位移台上，第一电动位移台的移动方向与主光轴垂直。

5.根据权利要求1所述的一种基于反射法的方向发射率测量装置，其特征在于，所述平面反射镜位于第二电动位移台上，第二电动位移台的移动方向与主光轴平行。

6.一种利用权利要求1-5任一所述的一种基于反射法的方向发射率测量装置测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在放置样品之前，放置经过标定的高反射保护金膜平面反射镜，测量光源的强度I_S；

步骤2：测量时将样品放置在半抛物面反射镜的轴截面处，使样品表面与半抛物面反射镜的轴截面重合，且半抛物面反射镜焦点位于样品表面的待测区域内；

步骤3：开启加热器，将样品加热到设定温度；

步骤4：将光源移动至设定位置，打开光源，打开光电探测器，计算机记录探测器数值，即可得到材料表面在四分之一球面空间反射和散射强度I_H1(λ, θ_i,φ_i, T)；

步骤5：将加热器绕焦点处表面的法线旋转180°，重复步骤2-4即可得到目标表面在另外四分之一球面空间反射和散射强度I_H2(λ,θ_i，φ_i，T)；

步骤6：计算材料表面在全空间的反射率ρ(λ,θ_i,φ_i， T)=(I_H1+I_H2)/ I_S, 从而计算材料表面的方向发射率。

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