CN111272808B - 红外积分球法向发射率测量模块 - Google Patents
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Abstract
一种红外积分球法向发射率测量模块，解决了传统红外积分球测量装置的机械式斩波结构稳定性差、光路调整结构复杂、无法测量法向发射率的问题，包括红外模块A和积分球B；红外模块A包括电路板、热释电探测器和MEMS薄膜光源，MEMS薄膜光源的镀金离轴抛物反射罩朝向待测物品方向、底壳为镀金球面反射镜、发热面位于镀金离轴抛物反射罩的焦点处；热释电探测器与电路板同轴且贴合在电路板内侧表面；积分球B采用对称双半球结构且包括顶部设样品孔的半球一和顶部设红外模块安装孔的半球二电路板安装在红外模块安装孔上，红外模块安装孔和样品孔的开孔中心位于经过球心的同一直径线上，使红外模块发射的辐射能够以样品法向方向照射待测样品。
Description
技术领域
本发明涉及红外积分球发射率测量模块，属于红外测试领域。
背景技术
发射率是表征材料红外辐射能力大小的基础物理量，是表征材料红外辐射特性的关键参数。发射率测量技术在辐射测温、辐射传热、红外隐身等众多领域发挥重要的作用。积分球反射法是材料常温发射率测量的首选方法，红外光源、积分球、探测器是积分球测量模块的不可或缺的关键器件。
传统红外积分球发射率测量装置，参见图1所示。积分球多设计为样品孔、入射孔及探测孔的三开孔设计，开孔数量及开孔总面积是影响积分球均匀性和效率的重要因素。外部光源的红外辐射首先经斩波器调制，再经光路结构调整平行或汇聚辐射，由入射孔进入积分球并照射在待测材料表面，斩波过程通常由电机带动斩波片进行机械旋转来实现，斩波片的加工精度、电机转动的稳定性均会对辐射调制频率造成扰动，对测量产生信号干扰。为避免样品反射的红外辐射沿入射光路直接从入射孔逃逸出积分球，必须使入射辐射与样品法向形成一定的入射角(常见8°或12°)，实际的测量结果并非是样品法向发射率。入光孔的角度偏转定位精度难以控制，加工难度大。另外，为获得平行或汇聚的调制辐射，必需设计较为复杂的机械结构件对积分球、光源、斩波和调整光路进行精密定位和可靠固定，影响模块空间尺寸的缩小和和自身重量的降低，制约红外发射率测量技术的小型化发展和便携式应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统红外积分球测量装置的机械式斩波结构稳定性差、光路调整结构复杂、无法测量法向发射率的问题，提供了一种红外积分球法向发射率测量模块。
本发明的技术解决方案为：
一种红外积分球发射率测量模块，其特殊之处在于：包括红外模块A和积分球B；
所述红外模块A包括电路板、热释电探测器、MEMS薄膜光源，所述MEMS薄膜光源的镀金离轴抛物反射罩朝向待测物品方向，MEMS薄膜光源的底壳为镀金的球面反射镜，所述MEMS薄膜光源的发热面位于镀金离轴抛物反射罩的焦点处，MEMS薄膜光源发射出具有一定频率的调制辐射，经镀金离轴抛物反射罩准直；热释电探测器与电路板同轴且贴合在电路板内侧表面；所述MEMS薄膜光源的底壳通过其外底面的供电引脚和辅助支撑引脚固定在电路板上，使MEMS薄膜光源与热释电探测器同轴布置，样品反射的辐射在积分球B内多次反射，部分辐射经球面反射镜反射至热释电探测器，实现反射辐射能量的测量；在电路板外表面设有用于给MEMS薄膜光源和热释电探测器供电和信号读取的MH-6P接线端子；
所述积分球B采用对称双半球结构且包括半球一和半球二，半球一顶部设有用于材料测量的样品孔，半球二顶部设有红外模块安装孔，所述电路板安装在红外模块安装孔上，所述红外模块安装孔和样品孔的开孔中心位于经过球心的同一直径线上，使红外模块发射的辐射能够以样品法向方向照射待测样品。
进一步地，所述电路板表面设有三个用于支撑热释电探测器的焊盘一和用于支撑MEMS薄膜光源的焊盘二。
进一步地，热释电探测器通过引脚焊接固定在焊盘一上，焊接固定后使热释电探测器能够收集更大视野的积分球内壁辐射；MEMS薄膜光源的底壳上的供电引脚和辅助支撑引脚焊接在三个焊盘二上，供电引脚起到支撑作用的同时还用于薄膜发热体的供电。
进一步地，半球一和半球二基材选用6061铝合金，内表面经80目白砂的喷砂处理后形成漫反射表面，采用化学电镀方法在漫反射表面沉积200nm的金反射层。
进一步地，所述电路板上设有用于与积分球B固定的安装孔，红外模块安装孔周围设有与所述安装孔对应的螺纹孔，红外模块A和积分球B通过穿过安装孔和螺纹孔的螺杆连接固定。
进一步地，红外模块安装孔周围设有用于安装红外模块的圆形凸台，所述螺纹孔位于所述圆形凸台表面。
进一步地，安装孔和螺纹孔周向布置且一一对应。
红外光源、探测器及反射镜设计为一体式结构的红外模块，将红外模块沿安装孔插入积分球内部，安装孔四周预留有螺丝孔用于红外模块与积分球固定。在脉冲电源的激励下，红外模块中的MEMS薄膜光源发射出具有一定频率的调制辐射，经镀金离轴抛物反射罩准直，沿法线方向入射到待测样品表面。样品反射的辐射在积分球内多次反射后均匀分布，积分球内的部分辐射经球面反射镜进入热释电探测器，实现反射辐射能量的测量。
本发明的有益效果是：
1、红外光源、探测器及反射镜的一体式红外模块设计，实现了红外模块的积分球内置安装结构，使模块发射出的电控调制辐射能够沿法向入射到样品表面，实现真正意义的法向发射率测量。
2、MEMS薄膜光源和热释电探测器以同轴位置关系安装与电路板上，利用光源引脚作为支撑固定，使其位于探测器上方，光源自身起到积分球挡板的作用。光源前端内壳为镀金反射罩，将光源能够输出平行辐射，光源底部外壳为镀金球面反射镜，将球内辐射汇聚并反射至探测器；基于MEMS工艺的薄膜发热体积小，加热和降温速度快，可实现电控调频输出的红外辐射。
3、积分球结构设计中取消了入射孔，降低了开孔面积，提高了积分球内壁反射辐射分布的均匀性和有效辐射的利用效率。入射孔由开孔面积更小的安装孔替代，与样品孔处在经过球心的同一直径线上，开孔时与样品孔无需一定的偏转角度，易于开孔位置的定位，降低对于加工精度的要求。
4、采用高温陶瓷薄膜红外光源，可实现对输出辐射的电控频率调制，取代了传统的机械电机斩波调制机构及其复杂的定位固定结构，提高了辐射调制的稳定性，缩小占用空间和降低模块重量，为便携/手持式发射率测量仪器的研制创造了条件。
附图说明
图1是传统的积分球发射率测量模块的结构示意图；
图2是本发明的结构示意图；
图3是红外模块结构图；
图4是MEMS薄膜光源底壳结构示意图；
图5是积分球结构示意图；
图6是本发明的测量原理示意图；
图7是MEMS薄膜光源的电控调制原理图。
具体实施方式
如图2所示，本发明的红外积分球法向发射率测量模块包括红外模块A和积分球B.。如图3和图4所示，所述红外模块A包括电路板1、LiTaO3热释电探测器2、MEMS薄膜光源3。电路板1上设有三个用于支撑LiTaO3热释电探测器2的焊盘一8和三个用于支撑MEMS薄膜光源3的焊盘二9。MEMS薄膜光源3包括底壳5和朝向待测物品方向的镀金离轴抛物反射罩4，MEMS薄膜光源3的底壳5为镀金的球面反射镜，朝向LiTaO3热释电探测器2。所述MEMS薄膜光源3的发热面位于镀金离轴抛物反射罩4的焦点处。LiTaO3热释电探测器2与电路板1同轴且靠近在电路板1内侧表面，并通过引脚焊接固定在三个焊盘一8上，调节引脚长度可以控制LiTaO3热释电探测器2与底壳(球面反射镜)5之间的距离，焊接固定后使LiTaO3热释电探测器2能够收集更大视野的积分球内壁辐射。所述MEMS薄膜光源3与LiTaO3热释电探测器2同轴布置，MEMS薄膜光源的底壳5外底面设有二个供电引脚6和一个辅助支撑引脚7，供电引脚6在起到支撑作用的同时还用于薄膜发热体的供电，所供电引脚6和辅助支撑引脚7焊接在三个焊盘二9上。
所述电路板1靠近边缘处设有四个周向均布的用于与积分球B固定的安装孔11(孔径
)，在电路板1外表面设有一个用于给MEMS薄膜光源3和LiTaO3热释电探测器2供电和信号读取的MH-6P接线端子10。
如图5所示，所述积分球B采用对称双半球结构且包括直径
壁厚2.5mm的半球一12和半球二13，球体基材选用6061铝合金，内表面经80目白砂的喷砂处理后形成漫反射表面，并在漫反射表面化学电镀200nm厚的金反射层14，提高积分球内壁的反射率。结合图2，半球一12设有
的用于材料测量的样品孔121，球二13设有
的红外模块安装孔131，红外模块安装孔121和样品孔121的开孔中心位于经过球心的同一直径线上，红外模块安装孔131周围设有用于安装红外模块的圆形凸台132，圆形凸台132表面设有四个与所述电路板1上的安装孔11一一对应的周向布置的M2螺纹孔133，用于与红外模块A固定。
如图6和图7所示，在可调制电源的作用下，红外模块A的MEMS薄膜电源3发射出周期性红外辐射，法向照射在样品表面后反射到积分球B内部，部分辐射被LiTaO3热释电探测器2接收，随之输出与电调制信号频率一致的交流电压测量信号。
以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种红外积分球发射率测量模块，其特征在于：包括红外模块A和积分球B；
所述红外模块A包括电路板(1)、热释电探测器(2)、MEMS薄膜光源(3)，所述MEMS薄膜光源(3)的镀金离轴抛物反射罩(4)朝向待测物品方向，MEMS薄膜光源(3)的底壳(5)为镀金的球面反射镜，所述MEMS薄膜光源(3)的发热面位于镀金离轴抛物反射罩(4)的焦点处，MEMS薄膜光源(3)发射出具有一定频率的调制辐射，经镀金离轴抛物反射罩(4)准直；热释电探测器(2)与电路板(1)同轴且贴合在电路板(1)内侧表面；所述MEMS薄膜光源(3)的底壳(5)通过其外底面的供电引脚(6)和辅助支撑引脚(7)固定在电路板(1)上，使MEMS薄膜光源(3)与热释电探测器(2)同轴布置，样品反射的辐射在积分球B内多次反射，部分辐射经球面反射镜反射至热释电探测器(2)，实现反射辐射能量的测量；在电路板(1)外表面设有用于给MEMS薄膜光源(3)和热释电探测器(2)供电和信号读取的MH-6P接线端子(10)；
所述积分球B采用对称双半球结构且包括半球一(12)和半球二(13)，半球一(12)顶部设有用于材料测量的样品孔(121)，半球二(13)顶部设有红外模块安装孔(131)，所述电路板(1)安装在红外模块安装孔(131)上，所述红外模块安装孔和样品孔的开孔中心位于经过球心的同一直径线上，使红外模块发射的辐射能够以样品法向方向照射待测样品。
2.根据权利要求1所述的红外积分球发射率测量模块，其特征在于：电路板(1)表面设有三个用于支撑热释电探测器(2)的焊盘一(8)和用于支撑MEMS薄膜光源(3)的焊盘二(9)。
3.根据权利要求2所述的红外积分球发射率测量模块，其特征在于：热释电探测器(2)通过引脚焊接固定在焊盘一(8)上，焊接固定后使热释电探测器能够收集更大视野的积分球内壁辐射；MEMS薄膜光源的底壳(5)上的供电引脚(6)和辅助支撑引脚(7)焊接在三个焊盘二(9)上，供电引脚(6)起到支撑作用的同时还用于薄膜发热体的供电。
4.根据权利要求1所述的红外积分球发射率测量模块，其特征在于：半球一(12)和半球二(13)基材选用6061铝合金，内表面经80目白砂的喷砂处理后形成漫反射表面，采用化学电镀方法在漫反射表面沉积200nm的金反射层(14)。
5.根据权利要求1所述的红外积分球发射率测量模块，其特征在于：所述电路板(1)上设有用于与积分球B固定的安装孔(11)，红外模块安装孔(131)周围设有与所述安装孔(11)对应的螺纹孔(133)，红外模块A和积分球B通过穿过安装孔(11)和螺纹孔(133)的螺杆连接固定。
6.根据权利要求5所述的红外积分球发射率测量模块，其特征在于：红外模块安装孔(131)周围设有用于安装红外模块的圆形凸台(132)，所述螺纹孔133位于所述圆形凸台(132)表面。
7.根据权利要求5所述的红外积分球发射率测量模块，其特征在于：安装孔(11)和螺纹孔(133)周向布置且一一对应。
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