專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于能量法的半透明材料高溫輻射率測(cè)量裝置及扣除背景輻射的修正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半透明材料高溫法向光譜輻射率測(cè)量裝置及其修正測(cè)試方法，屬于高溫測(cè)量材料物性技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
輻射率定義為同等溫度下材料表面輻射能與黑體輻射能的比值。各種材料表面的輻射率是表征材料表面輻射本領(lǐng)的物理量，是一項(xiàng)極其重要的熱物性參數(shù)。在很多領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。但是，由于材料表面的輻射率不是材料的本征參數(shù)，它不僅與材料組分有關(guān)，還與材料的表面條件(粗糙度)有關(guān)，而且還與材料的溫度和考察的波長(zhǎng)等因素有關(guān)。 即輻射率是以上諸多因素的多元函數(shù)。所以其測(cè)量存在一定的難度，主要存在測(cè)量精度低和溫度上限低等問(wèn)題。然而，近年來(lái)隨著材料科學(xué)及能源技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)材料輻射率測(cè)量的要求越來(lái)越苛刻尤其是半透明材料，這些要求一方面表現(xiàn)在輻射率的測(cè)量精度要高，另一方面則體現(xiàn)在測(cè)量的溫度范圍要寬、測(cè)量溫度上下限要極值化上。近年來(lái)，由于傅立葉光譜分析儀的優(yōu)越性能和廣泛使用，一些發(fā)達(dá)國(guó)家的學(xué)者們開(kāi)始基于傅立葉光譜分析儀建立光譜輻射率測(cè)量裝置，但是研究只是剛剛開(kāi)始，還存在著溫度上限低和環(huán)境干擾大等不足。然而，目前國(guó)外的光譜輻射率測(cè)量裝置采用真空測(cè)量系統(tǒng)存在價(jià)格昂貴，測(cè)量成本高，很多譜輻射率測(cè)量裝置采用激光加熱試樣，激光加熱可以達(dá)到很高的溫度，但存在加熱不均勻、加熱溫度測(cè)量誤差大、加熱溫度上限因材料種類(lèi)不同而不同以及加熱成本高等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決由于半透明材料自身的半透明特性使得背景輻射噪音大、輻射率測(cè)量技術(shù)測(cè)量精度低和溫度上限低的問(wèn)題，從而提出的一種基于能量法的半透明材料高溫輻射率測(cè)量裝置及扣除背景輻射的修正方法?！N基于能量法的半透明材料高溫輻射率測(cè)量裝置，它包括傅立葉紅外光譜分析儀、參考黑體爐、可旋轉(zhuǎn)反光鏡、加熱爐，加熱器，溫度采集裝置，溫度巡檢操控儀、入射光源、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和光闌；所述的加熱爐內(nèi)置有透光口、半透明試件的固定裝置和溫度采集裝置；半透明試件固定在半透明試件的固定裝置上，完全遮蓋住加熱爐的透光口 ；所述的溫度采集裝置的溫度信號(hào)輸出端連接溫度巡檢操控儀的溫度信號(hào)輸入端，溫度巡檢操控儀的溫度控制信號(hào)的輸出端連接加熱器的供電電路的主控端上；傅立葉紅外光譜分析儀的數(shù)據(jù)信號(hào)輸出端連接數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號(hào)輸入端；
所述的入射光源發(fā)光口的中心軸線(xiàn)、加熱爐的透光口的中心軸線(xiàn)、可旋轉(zhuǎn)反光鏡的鏡面中心軸線(xiàn)和參考黑體爐出光口的中心軸線(xiàn)與水平軸線(xiàn)共線(xiàn)；可旋轉(zhuǎn)反光鏡的鏡面中心位于參考黑體爐出光口與加熱爐的透光口中心的中心連線(xiàn)上；所述的可旋轉(zhuǎn)反光鏡的鏡面中心反射的光線(xiàn)的中心軸線(xiàn)、光闌的透光口的中心軸線(xiàn)、傅立葉紅外光譜分析儀探測(cè)窗口中心軸線(xiàn)與垂直軸線(xiàn)；水平軸線(xiàn)與垂直軸線(xiàn)垂直相交，交點(diǎn)為可旋轉(zhuǎn)反光鏡的鏡面中心的中點(diǎn)；光源的發(fā)光口至半透明試件內(nèi)表面光程為L(zhǎng)i，半透明試件外表面至可旋轉(zhuǎn)反光鏡中心光程為L(zhǎng)2，黑體爐內(nèi)腔出口至可旋轉(zhuǎn)反光鏡的鏡面中心光程為L(zhǎng)3，可旋轉(zhuǎn)反光鏡的鏡面中心至傅立葉紅外光譜分析儀的探測(cè)窗口光程為L(zhǎng)4 ；其中L2 = L3，最大光程為 L1+L2+L4 < 950mm ；入射光源發(fā)射出的光線(xiàn)透過(guò)半透明試件，沿光路到達(dá)可旋轉(zhuǎn)反光鏡上，可旋轉(zhuǎn)反光鏡將到達(dá)的光線(xiàn)反射出來(lái)，反射的光線(xiàn)穿過(guò)光闌的透光口，光闌將所通過(guò)的光線(xiàn)近似平行的進(jìn)入傅立葉光譜分析儀的探測(cè)窗口；參考黑體爐發(fā)射出的光線(xiàn)到達(dá)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了 90度后的可旋轉(zhuǎn)反光鏡上，可旋轉(zhuǎn)反光鏡將到達(dá)的光線(xiàn)反射出來(lái)，反射的光線(xiàn)穿過(guò)光闌的透光口，光闌將所通過(guò)的光線(xiàn)近似平行的進(jìn)入傅立葉光譜分析儀的探測(cè)窗口；應(yīng)用一種基于能量法的半透明材料高溫輻射率測(cè)量裝置，扣除背景輻射的修正方法的實(shí)現(xiàn)步驟為步驟一、啟動(dòng)參考黑體爐，并對(duì)光路進(jìn)行準(zhǔn)直調(diào)節(jié)，測(cè)量參考黑體爐在兩個(gè)不同溫度下的光譜輻射信號(hào)分布，然后根據(jù)去除背景噪聲的環(huán)境輻射補(bǔ)償算法確定傅立葉紅外光譜分析儀的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)間的響應(yīng)函數(shù)；具體方法為傅立葉紅外光譜儀在波長(zhǎng)λ處的輻射信號(hào)測(cè)量輸出表達(dá)式為
、(/1) = y μ)+S。μ)^'(/1) = ^(/1)^/(/1, Γ)
S0(X) = R(X)G2I0(XJ0)公式一式中，λ為傅立葉紅外光譜儀所采集的光的光譜波長(zhǎng)，S(A)為波長(zhǎng)λ處的輻射信號(hào)測(cè)量值，S' (λ)為測(cè)量對(duì)象的實(shí)際輻射信號(hào)值，S0(A)為環(huán)境背景輻射信號(hào)值^ 和&分別為試樣和環(huán)境背景的幾何因子，由光路系統(tǒng)的幾何關(guān)系決定；R( λ )為傅立葉紅外光譜分析儀的響應(yīng)函數(shù)；IU，Τ)為試樣的光譜輻射強(qiáng)度；IJA，T0)為環(huán)境背景的輻射強(qiáng)度；確定公式一中G1IU λ )和(}2R( λ ) · Ι。( λ，T0)的值將參考黑體爐分別設(shè)定為兩個(gè)不同的溫度T1和T2,則傅立葉紅外光譜分析儀的相應(yīng)輸出為^3l (λ)和Sb2 (λ)，根據(jù)公式一可得以下兩個(gè)等式^31U) =RU) [G1IbU ,T1HG2ItlU，τ。)] = U)+s。U) 公式二Sb2U) = R(X) [G1IbU，T2)+G2I0(X，T0)] = Sb2‘ U)+S0U) 公式三式中， Sbl‘ (λ)和Sb2‘ (λ)溫度T1和T2時(shí)黑體的真實(shí)輻射能量，Ib(λ，τ)表示參考黑體爐在溫度T時(shí)的光譜輻射強(qiáng)度，由普朗克定律計(jì)算得
權(quán)利要求
1.一種基于能量法的半透明材料高溫輻射率測(cè)量裝置，其特征在于它包括傅立葉紅外光譜分析儀(1)、參考黑體爐(2)、可旋轉(zhuǎn)反光鏡(3)、加熱爐，加熱器(5)，溫度采集裝置(6)，溫度巡檢操控儀(7)、入射光源(8)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(9)和光闌(10)；所述的加熱爐內(nèi)置有透光口(12)、半透明試件的固定裝置(14)和溫度采集裝置 (6)；半透明試件(11)固定在半透明試件的固定裝置(14)上，遮蓋住加熱爐⑷的透光口 (12)；所述的溫度采集裝置(6)的溫度信號(hào)輸出端連接溫度巡檢操控儀(7)的溫度信號(hào)輸入端，溫度巡檢操控儀(7)的溫度控制信號(hào)的輸出端連接加熱器(5)的供電電路的主控端上；傅立葉紅外光譜分析儀(1)的數(shù)據(jù)信號(hào)輸出端連接數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(9)的數(shù)據(jù)信號(hào)輸入端；所述的入射光源(8)發(fā)光口的中心軸線(xiàn)、加熱爐(4)的透光口(12)的中心軸線(xiàn)和參考黑體爐O)出光口的中心軸線(xiàn)與水平軸線(xiàn)(b)共線(xiàn)；可旋轉(zhuǎn)反光鏡⑶的鏡面中心位于參考黑體爐⑵出光口與加熱爐⑷的透光口(12) 中心的中心連線(xiàn)上；所述的可旋轉(zhuǎn)反光鏡(3)的鏡面中心反射的光線(xiàn)的中心軸線(xiàn)、光闌(10)的透光口的中心軸線(xiàn)、傅立葉紅外光譜分析儀(1)探測(cè)窗口中心軸線(xiàn)與垂直軸線(xiàn)(a)共線(xiàn)；水平軸線(xiàn)(b)與垂直軸線(xiàn)(a)垂直相交，交點(diǎn)為可旋轉(zhuǎn)反光鏡(3)的鏡面中心的中點(diǎn)；光源⑶的發(fā)光口至半透明試件(11)內(nèi)表面光程為L(zhǎng)i，半透明試件(11)外表面至可旋轉(zhuǎn)反光鏡⑶中心光程為L(zhǎng)2，黑體爐⑵內(nèi)腔出口至可旋轉(zhuǎn)反光鏡(3)的鏡面中心光程為L(zhǎng)3，可旋轉(zhuǎn)反光鏡(3)的鏡面中心至傅立葉紅外光譜分析儀⑴的探測(cè)窗口光程為L(zhǎng)4;其中 L2 = L3， L1+L2+L4 < 950mm ；入射光源(8)發(fā)射出的光線(xiàn)透過(guò)半透明試件(11)，沿光路到達(dá)可旋轉(zhuǎn)反光鏡(3)上， 可旋轉(zhuǎn)反光鏡(3)將到達(dá)的光線(xiàn)反射出來(lái)，反射的光線(xiàn)穿過(guò)光闌(10)的透光口，光闌(10) 將所通過(guò)的光線(xiàn)近似平行的進(jìn)入傅立葉光譜分析儀(1)的探測(cè)窗口。
2.應(yīng)用權(quán)利要求1所述的一種基于能量法的半透明材料高溫輻射率測(cè)量裝置，其特征在于扣除背景輻射的修正方法的實(shí)現(xiàn)步驟為步驟一、啟動(dòng)參考黑體爐O)，并對(duì)光路進(jìn)行準(zhǔn)直調(diào)節(jié)，測(cè)量參考黑體爐(2)在兩個(gè)不同溫度下的光譜輻射信號(hào)分布，然后根據(jù)去除背景噪聲的環(huán)境輻射補(bǔ)償算法確定傅立葉紅外光譜分析儀(1)的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)間的響應(yīng)函數(shù)；具體方法為傅立葉紅外光譜儀(1)在波長(zhǎng)λ處的輻射信號(hào)測(cè)量輸出表達(dá)式為、(/1) = y μ)+S0 μ)< Sr(A) = R(A)GlI(AJ) S0(X) = R(X)G2I0(AJ0)公式一式中，λ為傅立葉紅外光譜儀(ι)所采集的光的光譜波長(zhǎng)，SU)為波長(zhǎng)λ處的輻射信號(hào)測(cè)量值，S' ( λ )為測(cè)量對(duì)象的實(shí)際輻射信號(hào)值，S0(A)為環(huán)境背景輻射信號(hào)值^和 &分別為試樣和環(huán)境背景的幾何因子，由光路系統(tǒng)的幾何關(guān)系決定；R(X)為傅立葉紅外光譜分析儀(1)的響應(yīng)函數(shù)；IU，Τ)為試樣的光譜輻射強(qiáng)度；IJX，T0)為環(huán)境背景的輻射強(qiáng)度；確定公式一中G1IU λ)和G2R(X) · Ι0(λ，Τ0)的值將參考黑體爐(2)分別設(shè)定為兩個(gè)不同的溫度T1和T2，則傅立葉紅外光譜分析儀(1) 的相應(yīng)輸出為^3l ( λ )和Sb2 ( λ )，根據(jù)公式一可得以下兩個(gè)等式
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于能量法的半透明材料高溫輻射率測(cè)量裝置扣除背景輻射的修正方法，其特征在于所述的溫度采集裝置(6)為高溫?zé)犭婑睢?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于能量法的半透明材料高溫輻射率測(cè)量裝置扣除背景輻射的修正方法，其特征在于所述的加熱器( 為4根U型硅鉬加熱棒。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于能量法的半透明材料高溫輻射率測(cè)量裝置扣除背景輻射的修正方法，其特征在于半透明試件(11)的尺寸為圓形半透明試件直徑為25 100mm，矩形半透明試件邊長(zhǎng)為25 100mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于能量法的半透明材料高溫輻射率測(cè)量裝置扣除背景輻射的修正方法，其特征在于半透明試件(11)的加熱范圍是300 1773K，待測(cè)光譜波長(zhǎng)范圍是1. 3-28 μ mo
全文摘要
一種基于能量法的半透明材料高溫輻射率測(cè)量裝置及扣除背景輻射的修正方法，涉及一種半透明材料高溫法向光譜輻射率修正測(cè)試方法，屬于高溫測(cè)量材料物性技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明是為了解決傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)造價(jià)昂貴、溫度加熱上限低、測(cè)試精度較低的問(wèn)題。它包括傅立葉紅外光譜分析儀、參考黑體爐、可旋轉(zhuǎn)反光鏡、加熱爐，加熱器，溫度采集裝置，溫度巡檢操控儀、入射光源、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、光闌和半透明試件；所述的加熱爐內(nèi)置有透光口、半透明試件的固定裝置和溫度采集裝置；所述的入射光源發(fā)光口的中心軸線(xiàn)、加熱爐的透光口的中心軸線(xiàn)、可旋轉(zhuǎn)反光鏡的鏡面和參考黑體爐出光口的中心軸線(xiàn)與水平軸線(xiàn)共線(xiàn)。用于測(cè)量半透明材料表面的高溫光譜法向輻射率。
文檔編號(hào)G01N25/00GK102564610SQ20111044815
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月28日
發(fā)明者牛春洋, 王大林, 談和平, 阮立明, 齊宏 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)