CN117169273A - 一种基于反射法测量材料常温方向发射率的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于反射法测量材料常温方向发射率的装置及方法，属于材料热物性测量技术领域，包括光源、设置在光传输方向的抛物镜、设置在抛物镜焦点处的样品放置装置以及沿光传输方向活动设置的平面反射镜组和固定平面镜，设置在固定平面镜末端的光谱接收器。测量时，将样品放置于抛物镜焦点，接着关闭光源，打开光谱接收器，记录无光源时的背景辐射信号S₁；然后打开光源，记录样品该方向反射及背景辐射的总信号S₂；最后移动反射镜组于其他位置，重复测量，计算反射率。本发明采用上述的一种基于反射法测量材料常温方向发射率的装置及方法，可实现目标表面在不同方向上的发射率测量，能提供目标表面常温下的各方向辐射特性。

Description

一种基于反射法测量材料常温方向发射率的装置及方法

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测量材料常温方向发射率的装置及方法。

背景技术

方向发射率(Emissivity)指特定方向下，物体的辐射能力与相同温度下的黑体在该方向的辐射能力之比。方向发射率的检测方法有多种，根据测量原理的不同可分为直接法与间接法。直接法通过加热样品/黑体至一定温度，分别测量得到样品和标准黑体相同方向下的辐射信号，根据定义计算物体的方向发射率。反射法是指将一束标准辐射源发出的光从某个特定的方向照射在测试样品表面，通过测量反射光的强度确定样品表面方向光谱反射率，进而根据基尔霍夫定律反推出样品的方向发射率或者采用反射法测量发射率。然而，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。因此，测量材料表面各方向反射强度是反射法测量材料方向发射率的关键。对于常温条件下方向发射率的测量，消除背景辐射对测量结果的影响是提高测量精度的关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于反射法测量材料常温方向发射率的装置及方法，能够快速准确测量材料室温下表面方向反射强度，测量时间短，能够适用于多种材料表面。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于反射法测量材料常温方向发射率的装置，所述基于反射法测量材料常温方向发射率装置包括光源、设置在所述光源入射方向的光路系统以及设置在所述光路系统的光路射出方向上的光谱接收器。

优选的，所述光路系统包括设置在光传输方向的抛物镜、设置在所述抛物镜焦点处的样品放置装置以及沿光传输方向活动设置的平面反射镜组和固定平面镜，所述光谱接收器设置在所述固定平面镜的末端。

优选的，所述抛物镜的顶部设置有开口，所述样品放置装置内放置有样品，所述光源射出的光线通过所述开口射向所述样品，再经所述样品反射至各个方向，经过所述抛物镜反射至同一方向。

优选的，所述抛物镜上设置有可开启的底盖，所述底盖上设置有开口。

优选的，所述抛物镜的外侧固定设置有抛物镜放置壳，所述抛物镜放置壳的上端设置有移动壳，所述抛物镜放置壳和所述移动壳的外侧固定设置有外壳，所述移动壳与所述外壳活动连接。

优选的，所述平面反射镜组设置在所述移动壳内，所述固定平面镜设置在所述外壳内，所述样品放置装置穿过所述外壳、所述抛物镜放置壳以及所述底盖。

优选的，所述基于反射法测量材料常温方向发射率装置还包括第一平面反镜和第二平面反射镜，所述第一平面反射镜设置在所述光源入射前方，所述第二平面反射镜设置在所述固定平面镜的末端。

优选的，所述第一平面反射镜的镜面与所述光源主光轴的夹角为45°。

优选的，所述光源与所述光谱接收器的范围相互对应。

本发明提供了一种基于反射法测量材料常温方向发射率的装置测量方向发射率的方法，包括以下步骤：

S1.将待测样品放置于抛物镜焦点处，固定反射镜组于特定位置；

S2.关闭光源，打开光谱接收器，计算机记录无光源时的背景辐射信号S₁；

S3.打开光源，保持反射镜组位置不变，计算机记录样品该方向反射及背景辐射的总信号S₂；

S4.移动反射镜组于其他位置，重复步骤1-3；

S5.计算材料表面在各方向的反射率，从而计算材料表面的方向发射率，ρ_{(λ，θ，T)}＝(S₂-S₁)/IS，，式中，ρ为反射率，λ为波长，θ为反射光线与样品法线的夹角，T为样品表面温度，IS为光源辐射信号。

因此，本发明采用上述的一种基于反射法测量材料常温方向发射率的装置，根据抛物镜的光学性质(即从抛物镜焦点发出的光经过抛物镜的反射后平行于抛物镜的轴截面)设计测量装置，实现反射法测量材料表面常温条件下的方向发射率；通过半抛物面将目标表面各个方向反射的信号转化为相同方向，节省了测量系统的转动装置，消除了背景辐射变化对测量结果的影响，提高测量速度和准确性；理论上可以实现0°-90°的方向发射率的测量。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例1的原理图；

图2为本发明实施例1结构爆炸图；

图3为本发明实施例1的外壳内部的部分结构图；

图4为本发明实施例1实施例的移动外壳的内部结构图；

图5为本发明实施例1的抛物镜的结构图；

图6为本发明实施例1的移动外壳的部分内部结构图；

图7为本发明实施例1的样品放置装置的内部结构图；

图8为本发明实施例2的原理图；

图9为本发明实施例2的外壳的结构图；

图10为本发明实施例2的外壳内部结构图；

附图标记

1、凹型台；11、第一平面反射镜；12、第二平面反射镜；13、光源；14、光谱接收器；2、外壳；3、抛物镜放置壳；31、抛物镜；32、支撑杆；33、样品放置装置；34、底盖；35、螺旋推杆；36、开口槽；4、移动壳；41、平面反射镜组；42、滚轮；5、固定平面镜。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

本发明提供了一种基于反射法测量材料常温方向发射率的装置，包括光源、设置在光传输方向的抛物镜、设置在抛物镜焦点处的样品放置装置以及沿光传输方向活动设置的平面反射镜组和固定平面镜，设置在固定平面镜末端的光谱接收器，光源与光谱接收器的范围相互对应。

抛物镜的顶部设置有开口，样品放置装置内放置有样品，光源射出的光线通过开口射向样品，再经样品反射至各个方向，经过抛物镜反射至同一方向。

抛物镜上设置有可开启的底盖，底盖上设置有开口。抛物镜的外侧固定设置有抛物镜放置壳，抛物镜放置壳的上端设置有移动壳，抛物镜放置壳和移动壳的外侧固定设置有外壳，移动壳与外壳活动连接。平面反射镜组设置在移动壳内，固定平面镜设置在外壳内，样品放置装置贯穿外壳、抛物镜放置壳以及底盖。

基于反射法测量材料常温方向发射率装置还包括第一平面反镜和第二平面反射镜，第一平面反射镜设置在光源入射前方，第二平面反射镜设置在固定平面镜的末端，第一平面反射镜的镜面与光源主光轴的夹角为45°。

本发明提供了一种基于反射法测量材料常温方向发射率的装置测量方向发射率的方法，包括以下步骤：

S1.将待测样品放置于抛物镜焦点处，固定反射镜组于特定位置；

S2.关闭光源，打开光谱接收器，计算机记录无光源时的背景辐射信号S₁；

S3.打开光源，保持反射镜组位置不变，计算机记录样品该方向反射及背景辐射的总信号S₂；

S4.移动反射镜组于其他位置，重复步骤1-3；

S5.计算材料表面在各方向的反射率，从而计算材料表面的方向发射率，ρ_{(λ，θ，T)}＝(S₂-S₁)/IS，式中，ρ为反射率，λ为波长，θ为反射光线与样品法线的夹角，T为样品表面温度，IS为光源辐射信号。

实施例1

如图1-7所示，本发明提供了一种基于反射法测量材料常温方向发射率的装置，包括光源13、固定设置在光源13入射前方的第一平面反射镜11、设置在第一平面反射镜11的反射方向的抛物镜31、设置在抛物镜31的焦点处的样品放置装置33以及沿反射光传输方向活动设置的平面反射镜组41，平面反射镜组41的末端设置有固定平面镜5，固定平面镜5沿光线方向设置有第二平面反射镜12，第二平面反射镜12的反射方向设置有光谱接收器14，光源13与光谱接收器14的范围相互对应。

第一平面反射镜11以及第二平面反射镜12的底部固定设置有凹型台1，光源13以及光谱接收器14固定设置在凹型台1的两侧，第一平面反射镜11的镜面与光源13的主光轴的夹角为45°，凹型台1的一侧设置有结构对应的凸型结构的外壳2，外壳2设置在光源13以及光谱接收器14的中间位置，外壳2的部分底部开口，第一平面反射镜11以及第二平面反射镜12设置在外壳2的内部，外壳2的两侧与光源13以及光谱接收器14相对应的位置均设置有贯穿孔，外壳2的内部还设置有抛物镜放置壳3以及移动壳4，移动壳4活动设置在抛物镜放置壳3的顶部与外壳2活动连接。

抛物镜放置壳3卡设在外壳2内部，抛物镜放置壳3的底部外侧突出设置有矩形块，外壳2的内部设置有与矩形块相对应的卡槽，矩形块卡设在卡槽中，抛物镜31固定设置在抛物镜放置壳3的内部，抛物镜放置壳3光线的射入和射出方向上均设置有贯穿孔，抛物镜31的底部固定设置有支撑杆32，抛物镜31通过支撑杆32固定在抛物镜放置壳3的内部，抛物镜31的顶部设置有开口，样品放置在样品放置装置33中，抛物镜31的底部设置有低反射率底盖34，以减少背景辐射变化的影响，底盖34与抛物镜31通过卡扣连接，底盖34中间设置有一矩形开口，底盖34的中间位置设置有一个圆形开口，圆形开口的直径略大于样品放置装置33的直径，方便将样品放置装置33穿入圆形开口，样品放置装置33从外壳2的一面插入，穿过抛物镜底盖34，使样品表面中心位于抛物镜31焦点处，样品放置装置33为中空的柱状结构，样品放置装置33的一端距离端部位置5mm处设置有30mm厚的开口槽36，样品放置在开口槽36中，样品放置装置33的一侧设置有螺旋推杆35，螺旋推杆35可沿样品放置腔轴线方向前后移动，使用时，将样品放置在开口槽36中，通过向前转动螺旋推杆35，从而将样品送至抛物镜31的焦点处。

移动外壳2呈L型结构，移动外壳2的外部设置有滚轮42，外壳2的内部对应位置设置有滑轨，滑轮在滑轨上往复运动，固定平面镜5设置在移动外壳2的内顶部，固定平面镜与光线方向成45°角，平面反射镜组41设置在移动外壳2的内部，移动外壳2对应光线入射和出射的地方设置有入射口和出射口，平面反射镜组41可以反射各个方向的光线，固定平面镜5与光线的入射方向为45°，抛物镜31的焦准距可根据样品的大小调节，光线射向第一平面反射镜11，光源13与光谱接收器14的范围相互对应。该装置可置于黑箱内，以用于变化的环境条件下测量。

光源射出光线，然后经过第一平面反射镜的反射从抛物镜的顶部开口射向样品，再经过样品反射至各个方向，经过抛物镜反射至同一方向，最后经过平面反射镜组41射向固定平面镜5，最后射向光谱接收器14。

本申请的另一实施例中，没有凹型台，光源13和光谱接收器14设置在支撑架上，外壳2为封闭外壳，外壳2的结构如图9所示，上下表面齐平，外壳2的底部封闭，外壳2设置在光源13和光谱接收器14之间，第一平面反射镜11与第二平面反射镜12通过支撑架固定在外壳2的内底部，其余结构与实施例1相同，在此不做赘述。

实施例2

如图8-10所示，本发明提供了一种基于反射法测量材料常温方向发射率的装置，包括光源13、设置在光传输方向的抛物镜31、设置在抛物镜31焦点处的样品放置装置33以及沿光传输方向活动设置的平面反射镜组41和固定平面镜5以及设置在固定平面镜5末端的光谱接收器14，光源13与光谱接收器14的范围相互对应。

本申请中的外壳2上下表面齐平，其结构如图9所示，外壳2内设置有光源13、光谱接收器14、抛物镜放置壳3以及移动壳4，光源13以及光谱接收器14的底部设置有支撑架，移动壳4设置在光源13和光谱接收器14之间，抛物镜放置壳3、样品放置装置33以及移动壳4的结构与实施例1相同，在此不做赘述。

光线直接经过抛物镜的顶部开口射向样品，再经过样品反射至各个方向，经过抛物镜反射至同一方向，最后经过平面反射镜组41射向光谱接收器14。

实施例3

本发明提供了一种基于反射法测量材料常温方向发射率的装置测量方向发射率的方法，包括以下步骤:

步骤1：将待测样品放置于抛物镜焦点处，固定反射镜组于特定位置；

步骤2：关闭光源，打开光谱接收器，计算机记录无光源时的背景辐射信号S₁；

步骤3：打开光源，保持反射镜组位置不变，计算机记录样品该方向反射及背景辐射的总信号S₂；

步骤4：移动反射镜组于其他位置，重复步骤1-3；

步骤5：计算材料表面在各方向的反射率,从而计算材料表面的方向发射率ρ_{(λ，θ，T)}＝(S₂-S₁)/IS，式中，ρ为反射率，λ为波长，θ为反射光线与样品法线的夹角，T为样品表面温度，IS为光源辐射信号。

因此，本发明采用上述的一种基于反射法测量材料常温方向发射率的装置及方法，能够快速准确测量材料表面常温在各方向的反射强度，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室温下不同方向上的发射率测量，能够全面提供目标表面常温下的各方向辐射特性，尤其是各向异性表面。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于反射法测量材料常温方向发射率的装置，其特征在于：基于反射法测量材料常温方向发射率装置包括光源、设置在所述光源入射方向的光路系统以及设置在所述光路系统的光路射出方向上的光谱接收器。

2.根据权利要求1所述的一种基于反射发测量材料常温方向发射率的装置，其特征在于：所述光路系统包括设置在光传输方向的抛物镜、设置在所述抛物镜焦点处的样品放置装置以及沿光传输方向活动设置的平面反射镜组和固定平面镜，所述光谱接收器设置在所述固定平面镜的末端。

3.根据权利要求2所述的一种基于反射法测量材料常温方向发射率的装置，其特征在于：所述抛物镜的顶部设置有开口，所述样品放置装置内放置有样品，所述光源射出的光线通过所述开口射向所述样品，再经所述样品反射至各个方向，经过所述抛物镜反射至同一方向。

4.根据权利要求3所述的一种基于反射法测量材料常温方向发射率的装置，其特征在于：所述抛物镜上设置有可开启的底盖，所述底盖上设置有开口。

5.根据权利要求4所述的一种基于反射法测量材料常温方向发射率的装置，其特征在于：所述抛物镜的外侧固定设置有抛物镜放置壳，所述抛物镜放置壳的上端设置有移动壳，所述抛物镜放置壳和所述移动壳的外侧固定设置有外壳，所述移动壳与所述外壳活动连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于反射法测量材料常温方向发射率的装置，其特征在于：所述平面反射镜组设置在所述移动壳内，所述固定平面镜设置在所述外壳内，所述样品放置装置穿过所述外壳、所述抛物镜放置壳以及所述底盖。

7.根据权利要求6所述的一种基于反射法测量材料常温方向发射率的装置，其特征在于：所述基于反射法测量材料常温方向发射率装置还包括第一平面反镜和第二平面反射镜，所述第一平面反射镜设置在所述光源入射前方，所述第二平面反射镜设置在所述固定平面镜的末端。

8.根据权利要求7所述的一种基于反射法测量材料常温方向发射率的装置，其特征在于：所述第一平面反射镜的镜面与所述光源主光轴的夹角为45°。

9.根据权利要求8所述的一种基于反射法测量材料常温方向发射率的装置，其特征在于：所述光源与所述光谱接收器的范围相互对应。

10.根据权利要求1-9任意一项所述的一种基于反射法测量材料常温方向发射率的装置测量方向发射率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.将待测样品放置于抛物镜焦点处，固定反射镜组于特定位置；

S2.关闭光源，打开光谱接收器，计算机记录无光源时的背景辐射信号S₁；

S3.打开光源，保持反射镜组位置不变，计算机记录样品该方向反射及背景辐射的总信号S2；

S4.移动反射镜组于其他位置，重复步骤1-3；

S5.计算材料表面在各方向的反射率ρ(λ，θ，T)＝(S₂-S₁)/IS，从而计算材料表面的方向发射率，式中，ρ为反射率，λ为波长，θ为反射光线与样品法线的夹角，T为样品表面温度，IS为光源辐射信号。