CN114034398B - 一种零部件红外辐射强度系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种零部件红外辐射强度系统及测量方法,其包括:温度控制模块,用于待测样品的升温、降温和稳态温度场控制;主动式双激光测温模块,用于样品表面温度测量;红外成像模块,用于分析待测样品及其周围环境的热分布情况;红外辐射强度探测模块,用于直接测量待测样品的红外辐射强度;面源黑体,用于红外辐射强度探测模块响应度标定;信号采集与处理模块,用于收集测量信号并获得具体温度下的红外辐射强度;限制光阑,用于减少杂散光对辐射强度测量的影响。本系统可在不破坏零部件表面特性的条件下直接开展表面测温,红外成像模块也为红外辐射强度测量的结果分析提供了辅助手段,有利于获得稳定可靠的红外辐射强度测量结果。
Description
技术领域
本发明涉及红外辐射技术领域,尤其涉及一种零部件红外辐射强度系统及测量方法。
背景技术
红外辐射强度在现代工业、科研、新能源及日常生活领域的重要性日益显著,零部件级别物体红外辐射强度精确测量的相关研究也逐渐被关注。
在开展红外辐射强度测量的过程中,需要重点考虑的技术难点主要有:零部件表面真实温度的测量,外界杂散辐射对测量结果的影响以及用于直接测量辐射强度的辐射计响应特性。在零部件表面温度测量方面,由于接触法容易改变零部件的表面结构特性从而影响辐射强度测量的可靠性,所以采用辐射测温是比较合适的方式。但是,传统的辐射测温方法严重依赖目标面的发射率信息,不能满足待测目标面发射率未知条件下的表面温度精确测量,使得红外辐射强度测量的表面温度信息不够准确。杂散辐射的影响是传统辐射测温领域面临的问题,通常通过限制光阑的使用以及相关表面喷涂高吸收材料等可以得到有效解决。用于红外辐射强度的辐射计的响应特性方面,可以借助黑体面源开展不同温度下的现场标定实验,根据标定结果得到响应特性规律并应用于实验测量。
因此,需要提出一种可以在未知发射率条件下测量零部件表面温度、现场标定辐射计响应特性且尽可能降低外界杂散辐射信号的测量方案,以实现零部件级别物体红外辐射强度的精确测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种零部件红外辐射强度系统,以实现零部件红外辐射强度的测量,为了实现上述目的,本发明提供了一种零部件红外辐射强度系统,其包括:
温度控制模块,用于待测样品的升温、降温和稳态温度场控制;
主动式双激光测温模块,用于样品表面温度测量;
红外成像模块,用于分析待测样品及其周围环境的热分布情况;
红外辐射强度探测模块,用于测量待测样品的红外辐射强度;
面源黑体,用于红外辐射强度探测模块响应度标定,其与所述温度控制模块相邻设置;
第一平移台,用于主动式双激光测温模块的二维移动;
第二平移台,用于红外成像模块的水平移动;
第三平移台,用于红外辐射强度探测模块的水平移动;
限制光阑,用于减少杂散光对辐射强度测量的影响;
信号采集与处理模块,用于收集测量信号并给出零部件具体表面温度下的红外辐射强度。
其中,所述温度控制模块的工作温度范围600-1500℃,其加热器由高温陶瓷等耐高温发热材料构成,含辅助温度场均匀结构,并配套控制系统以控制温度控制模块的升降温和恒温过程。
其中,所述主动式双激光测温模块包含两个不同波长的激光光源以及相应的两个波长探测器、光信号传递组件,工作温度范围600-1500℃。
其中,所述红外成像模块主要由红外热像仪构成,工作光谱范围:1-25微米,具备信号传输接口。
其中,所述红外辐射强度探测模块具备视场角度可调节功能,测量距离范围1-200m,探测光谱范围1-25微米,配套降温系统以维持器内部探测器温度稳定。
其中,所述面源黑体工作温度范围50-550℃,辐射源面积不小于100mm×100mm,辐射源温度均匀性好于2℃/30分钟。
其中,所述第一平移台的定位精度高于0.1mm,水平方向行程不小于1m,垂直方向行程不小于0.2m,具备手动和电控两种工作模式。
其中,所述光第二平移台的定位精度高于0.1mm,水平方向行程不小于1m,具备手动和电控两种工作模式。
其中,所述第三平移台的定位精度高于0.1mm,水平方向行程不小于1m,承载能力不低于120kg,具备手动和电控两种工作模式。
其中,所述限制光阑开孔直径100mm至500mm,外部喷涂高吸收率图层,用于减少杂散光对辐射强度测量的影响。
一种采用零部件红外辐射强度系统的测量方法,其中:
开启主动式测温定标源,将主动式双激光测量模块移动至第二水平位置2,开展主动式双激光测温模块的仪器常数的标定实验;
将红外辐射强度探测模块移动至第一水平位置1,使得黑体面源处于其视场之内;
开启温度控制模块,利用第一控制器对加热器进行控制,将待测零部件稳定在某一个温度附近;
利用第二控制器,控制所述第一平移台,将主动式双激光测量模块移动至第三水平位置,开展待测零部件表面的温度测量;
将红外辐射强度探测模块移动至第三水平位置,使得待测零部件完全处于红外辐射强度探测模块视场之内,得到其光谱辐射强度。
由上述本发明的一种零部件红外辐射强度系统的技术方案可以看出,本发明的系统核心组成主要包括:主动式激光测温模块、红外成像模块、红外辐射强度探测模块、定标源和平移台。通过主动式激光确定零部件表面温度、红外辐射强度探测模块测量零部件表面温度,结合红外成像模块得到的热分布,可支撑红外辐射强度的精确测量。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出,这些将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的一种零部件红外辐射强度系统示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式,所述实施方式的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的,仅用于解释本发明,而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解,除非特意声明,这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是,本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件,但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解,当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时,它可以直接连接或耦接到其他元件,或者也可以存在中间元件。此外,这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解,除非另外定义,这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是,诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义,并且除非像这里一样定义,不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解,下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明。
图1为本发明实施例的一种零部件红外辐射强度系统示意图。如图1所示,所述零部件红外辐射强度系统包括:温度控制模块,其用于待测样品的升温、降温和稳态温度场控制,其中,待测样品设置在所述温度控制模块上。其中,所述温度控制模块的工作温度范围600-1500℃,所述温度控制模块包括加热器,所述加热器采用高温陶瓷等耐高温发热材料形成,在所述加热器中包括辅助温度场均匀结构,从而在所述温度控制模块中形成均匀的温度场,通过所述第一控制器以控制所述温度控制模块的升降温和恒温过程。
主动式双激光测温模块,用于对待测样品的表面温度进行测量。主动式测温定标源,其用于对所述主动式双激光探测模块提供标准信号,所述主动式测温定标源与所述温度控制模块相邻设置,所述主动式测温定标源与所述温度控制模块均连接到第一控制器,所述第一控制器对主动式测温定标源与所述温度控制模块进行控制。
所述主动式双激光测温模块设置在第一大行程位移平台(简称第一平移台)上,所述第一平移台用于主动式双激光测温模块的二维移动。第二控制器,其对所述第一平移台进行控制。所述主动式双激光测温模块包含两个不同波长的激光光源以及相应的两个波长探测器、光信号传递组件,所述主动式双激光测温模块工作温度范围600-1500℃。所述第一平移台的定位精度高于0.1mm,水平方向行程不小于1m,垂直方向行程不小于0.2m,具备手动和电控两种工作模式。
红外成像模块,用于分析待测样品及其周围环境的热分布情况,所述红外成像模块设置在第二大行程位移平台(简称第二平移台)上,所述第二平移台用于红外成像模块的二维移动。第三控制器,其对所述第二平移台进行控制。所述红外成像模块优选包括红外热像仪,所述红外热像仪的工作光谱范围为:1-25微米,具备信号传输接口。所述第二平移台的定位精度高于0.1mm,水平方向行程不小于1m,具备手动和电控两种工作模式。
红外辐射强度探测模块,其用于测量待测样品的红外辐射强度,所述红外辐射强度探测模块设置在第三大行程位移平台(简称第三平移台)上,所述第三平移台用于所述红外辐射强度探测模块的二维移动,所述红外辐射强度探测模块优选包括红外辐射计。第四控制器,其对所述第三平移台进行控制。所述红外辐射强度探测模块具备视场角度可调节功能,测量距离范围1-200m,探测光谱范围1-25微米,配套降温系统以维持器内部探测器温度稳定。所述第三平移台的定位精度高于0.1mm,水平方向行程不小于1m,承载能力不低于120kg,具备手动和电控两种工作模式。
面源黑体,用于红外辐射强度探测模块响应度标定,所述面源黑体工作温度范围50-550℃,辐射源面积不小于100mm×100mm,辐射源温度均匀性好于2℃/30分钟;所述面源黑体与所述主动式测温定标源以及所述温度控制模块相邻设置;信号采集与处理模块,所述信号采集与处理模块包括信号处理器,所述信号处理器收集测量信号并给出具体的红外辐射强度。
限制光阑,用于减少杂散光对辐射强度测量的影响;所述限制光阑开孔直径100mm至500mm,外部喷涂高吸收率图层,用于减少杂散光对辐射强度测量的影响。
在进行待测样件的红外辐射强度进行测量时,其工作过程如下:
开启主动式测温定标源,将主动式双激光测量模块移动至第二水平位置2,开展主动式双激光测温模块的仪器常数C的标定实验,其计算方法如式(1)所示:
式中,为两个测量通道的交流信号比;λ1为第一波长;λ2为第二波长;c2为第二辐射常数;T0为标定源样品温度,由其自带一等标准S型热电偶的测温结果,结合辐射和对流边界条件得出。
将红外辐射强度探测模块移动至第一水平位置1,使得黑体面源处于其视场之内(但并不充满视场),开启主动式测温定标源使其分别在两个温度T1和T2下分别稳定一定时间,利用红外辐射强度探测模块分别测量这两个温度下的响应信号S1BB(λ)和S2BB(λ)得到其光谱响应度如式(2):
其中,LBB(λ,T1)和LBB(λ,T2)可由普朗克公式直接得到。
开启温度控制模块,利用第一控制器对加热器进行控制,将待测零部件稳定在某一个温度附近。
利用第二控制器,控制所述第一平移台,将主动式双激光测量模块移动至第三水平位置3,即可开展待测零部件表面的温度测量,如式(3):
进一步,利用第一平移台进行二维移动,即可测得待测零部件表面不同位置的温度,进而得到其表面平均温度。
通过第二控制器对第一平移台进行控制,将主动式双激光测量模块移动至第二水平位置2;通过第四控制器对所述第三平移台进行控制,将红外辐射强度探测模块移动至第三水平位置3,使得待测零部件完全处于红外辐射强度探测模块视场之内,开展该温度下的红外辐射强度测量,得到其光谱辐射强度,如式(4):
式中:ITarget(λ)为待测量零部件在波长为λ下的光谱辐射强度;VTarget(λ)为待测量零部件在波长为λ下的测试信号;Venv(λ)为波长为λ下的空背景测试信号;VBB(λ)为黑体辐射源在在波长为λ条件下的测试信号;dTarge为红外辐射强度探测模块距待测量零部件的距离;dBB为红外辐射强度探测模块距参考黑体辐射源的距离;ABB为体辐射源的投影面积;LBB(λ)为黑体辐射源在波长为λ下光谱辐射亮度;Lenv(λ)为空背景在波长为λ下光谱辐射亮度;ATarget为待测量零部件的投影面积;K——为修正因子,与视场均匀性、距离效应、光谱响应非线性及环境辐射相关。
进一步,可对光谱辐射强度在移动波段内进行积分,即可得到对应的积分光谱辐射强度,如式(5):
利用第四控制器,控制第三平移台,将红外辐射强度探测模块移动至第一水平位置1;利用第三控制器,控制第二平移台,将红外成像模块移动至第三水平位置3,使得待测零部件完全处于红外成像模块视场之内,开展红外成像工作,为后期进行零部件热分布及传热问题分析提供重要的实验结果。
本发明提供一种零部件红外辐射强度系统,主要包括:温度控制模块;主动式双激光测温模块;红外成像模块;红外辐射强度探测模块;面源黑体;第一平移台;第二平移台;第三平移台;信号采集与处理模块。通过主动式双波长测温模块的应用,可实现待测零部件表面温度的免发射率测量,并且不破坏该零部件的表面温度场,进而利用红外辐射强度探测模块测量得到该温度下的红外辐射强度。红外成像模块的应用也对测量结果的热分析提供了便利条件。
本领域技术人员应能理解上述的应用类型仅为举例,其他现有的或今后可能出现的应用类型如可适用于本发明实施例,也应包含在本发明保护范围以内,并在此以引用方式包含于此。
本领域技术人员应能理解,图1仅为简明起见而示出的各类元件的数量可能小于一个实际系统中的数量,但这种省略无疑是以不会影响对发明实施例进行清楚、充分的公开为前提的。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种零部件红外辐射强度系统,其包括:
温度控制模块,用于待测样品的升温、降温和稳态温度场控制;
主动式双激光测温模块,用于所述待测样品的表面温度测量;
红外成像模块,用于分析所述待测样品及其周围环境的热分布情况;
红外辐射强度探测模块,用于测量待测样品的红外辐射强度;
面源黑体,用于红外辐射强度探测模块响应度标定,其与所述温度控制模块相邻设置;
第一平移台,用于所述主动式双激光测温模块的二维移动;
第二平移台,用于所述红外成像模块的水平移动;
第三平移台,用于所述红外辐射强度探测模块的水平移动;
限制光阑,用于减少杂散光对辐射强度测量的影响;
信号采集与处理模块,用于收集测量信号并获得零部件具体表面温度下的红外辐射强度。
2.根据权利要求 1 所述的零部件红外辐射强度系统,其特征在于,所述温度控制模块的工作温度范围 600-1500℃。
3. 根据权利要求 1 所述的零部件红外辐射强度系统,其特征在于,所述主动式双激光测温模块包含两个不同波长的激光光源以及相应的两个波长探测器、光信号传递组件,工作温度范围 600-1500℃。
4.根据权利要求 1 所述的零部件红外辐射强度系统,其特征在于,所述红外成像模块主要由红外热像仪构成,工作光谱范围:1-25 微米,具备信号传输接口。
5.根据权利要求 1 所述的零部件红外辐射强度系统,其特征在于,所述红外辐射强度探测模块具备视场角度可调节功能,测量距离范围1-200 m,探测光谱范围1-25微米。
6.根据权利要求 1 所述的零部件红外辐射强度系统,其特征在于,
所述第一平移台的定位精度高于0.1 mm,水平方向行程不小于1m,垂直方向行程不小于0.2m,具备手动和电控两种工作模式。
7.根据权利要求 1 所述的零部件红外辐射强度系统,其特征在于,所述第二平移台的定位精度高于0.1 mm,水平方向行程不小于1m,具备手动和电控两种工作模式。
8.根据权利要求1所述的零部件红外辐射强度系统,其特征在于,所述第三平移台的定位精度高于0.1 mm,水平方向行程不小于1m,承载能力不低于120 kg,具备手动和电控两种工作模式。
9.根据权利要求1所述的零部件红外辐射强度系统,其特征在于,所述限制光阑开孔直径100mm至500mm,外部喷涂高吸收率涂层。
10.一种采用如权利要求1至9任一项的零部件红外辐射强度系统的测量方法,其特征在于:
开启主动式测温定标源,将主动式双激光测温模块移动至第二水平位置2,开展主动式双激光测温模块的仪器常数的标定实验;
将红外辐射强度探测模块移动至第一水平位置,使得黑体面源处于其视场之内;
开启主动式测温定标源使其分别在两个温度T 1和T 2下分别稳定一定时间,利用红外辐射强度探测模块分别测量这两个温度下的响应信号S 1BB(λ)和S 2BB(λ)得到其光谱响应度;
开启温度控制模块,利用第一控制器对加热器进行控制,将待测零部件稳定在某一个温度附近;
利用第二控制器,控制所述第一平移台,将主动式双激光测温模块移动至第三水平位置,开展待测零部件表面的温度测量;
将红外辐射强度探测模块移动至第三水平位置,使得待测零部件完全处于红外辐射强度探测模块视场之内,得到其光谱辐射强度。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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