一種基於能量法的半透明材料高溫輻射率測量裝置及扣除背景輻射的修正方法
2023-07-05 14:44:26
專利名稱：一種基於能量法的半透明材料高溫輻射率測量裝置及扣除背景輻射的修正方法
技術領域：
本發明涉及一種半透明材料高溫法向光譜輻射率測量裝置及其修正測試方法，屬於高溫測量材料物性技術領域。
背景技術：
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徵材料表面輻射本領的物理量，是一項極其重要的熱物性參數。在很多領域發揮著重要的作用。但是，由於材料表面的輻射率不是材料的本徵參數，它不僅與材料組分有關，還與材料的表麵條件(粗糙度)有關，而且還與材料的溫度和考察的波長等因素有關。 即輻射率是以上諸多因素的多元函數。所以其測量存在一定的難度，主要存在測量精度低和溫度上限低等問題。然而，近年來隨著材料科學及能源技術的快速發展，對材料輻射率測量的要求越來越苛刻尤其是半透明材料，這些要求一方面表現在輻射率的測量精度要高，另一方面則體現在測量的溫度範圍要寬、測量溫度上下限要極值化上。近年來，由於傅立葉光譜分析儀的優越性能和廣泛使用，一些發達國家的學者們開始基於傅立葉光譜分析儀建立光譜輻射率測量裝置，但是研究只是剛剛開始，還存在著溫度上限低和環境幹擾大等不足。然而，目前國外的光譜輻射率測量裝置採用真空測量系統存在價格昂貴，測量成本高，很多譜輻射率測量裝置採用雷射加熱試樣，雷射加熱可以達到很高的溫度，但存在加熱不均勻、加熱溫度測量誤差大、加熱溫度上限因材料種類不同而不同以及加熱成本高等缺點。
發明內容
本發明是為了解決由於半透明材料自身的半透明特性使得背景輻射噪音大、輻射率測量技術測量精度低和溫度上限低的問題，從而提出的一種基於能量法的半透明材料高溫輻射率測量裝置及扣除背景輻射的修正方法。—種基於能量法的半透明材料高溫輻射率測量裝置，它包括傅立葉紅外光譜分析儀、參考黑體爐、可旋轉反光鏡、加熱爐，加熱器，溫度採集裝置，溫度巡檢操控儀、入射光源、數據處理系統和光闌；所述的加熱爐內置有透光口、半透明試件的固定裝置和溫度採集裝置；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 ；所述的溫度採集裝置的溫度信號輸出端連接溫度巡檢操控儀的溫度信號輸入端，溫度巡檢操控儀的溫度控制信號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據信號輸出端連接數據處理系統的數據信號輸入端；
所述的入射光源發光口的中心軸線、加熱爐的透光口的中心軸線、可旋轉反光鏡的鏡面中心軸線和參考黑體爐出光口的中心軸線與水平軸線共線；可旋轉反光鏡的鏡面中心位於參考黑體爐出光口與加熱爐的透光口中心的中心連線上；所述的可旋轉反光鏡的鏡面中心反射的光線的中心軸線、光闌的透光口的中心軸線、傅立葉紅外光譜分析儀探測窗口中心軸線與垂直軸線；水平軸線與垂直軸線垂直相交，交點為可旋轉反光鏡的鏡面中心的中點；光源的發光口至半透明試件內表面光程為Li，半透明試件外表面至可旋轉反光鏡中心光程為L2，黑體爐內腔出口至可旋轉反光鏡的鏡面中心光程為L3，可旋轉反光鏡的鏡面中心至傅立葉紅外光譜分析儀的探測窗口光程為L4 ；其中L2 = L3，最大光程為 L1+L2+L4 < 950mm ；入射光源發射出的光線透過半透明試件，沿光路到達可旋轉反光鏡上，可旋轉反光鏡將到達的光線反射出來，反射的光線穿過光闌的透光口，光闌將所通過的光線近似平行的進入傅立葉光譜分析儀的探測窗口；參考黑體爐發射出的光線到達順時針旋轉了 90度後的可旋轉反光鏡上，可旋轉反光鏡將到達的光線反射出來，反射的光線穿過光闌的透光口，光闌將所通過的光線近似平行的進入傅立葉光譜分析儀的探測窗口；應用一種基於能量法的半透明材料高溫輻射率測量裝置，扣除背景輻射的修正方法的實現步驟為步驟一、啟動參考黑體爐，並對光路進行準直調節，測量參考黑體爐在兩個不同溫度下的光譜輻射信號分布，然後根據去除背景噪聲的環境輻射補償算法確定傅立葉紅外光譜分析儀的輸入信號與輸出信號間的響應函數；具體方法為傅立葉紅外光譜儀在波長λ處的輻射信號測量輸出表達式為
、(/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採集的光的光譜波長，S(A)為波長λ處的輻射信號測量值，S' (λ)為測量對象的實際輻射信號值，S0(A)為環境背景輻射信號值^ 和&分別為試樣和環境背景的幾何因子，由光路系統的幾何關係決定；R( λ )為傅立葉紅外光譜分析儀的響應函數；IU，Τ)為試樣的光譜輻射強度；IJA，T0)為環境背景的輻射強度；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定為兩個不同的溫度T1和T2,則傅立葉紅外光譜分析儀的相應輸出為^3l (λ)和Sb2 (λ)，根據公式一可得以下兩個等式^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時黑體的真實輻射能量，Ib(λ，τ)表示參考黑體爐在溫度T時的光譜輻射強度，由普朗克定律計算得
權利要求
1.一種基於能量法的半透明材料高溫輻射率測量裝置，其特徵在於它包括傅立葉紅外光譜分析儀(1)、參考黑體爐(2)、可旋轉反光鏡(3)、加熱爐，加熱器(5)，溫度採集裝置(6)，溫度巡檢操控儀(7)、入射光源(8)、數據處理系統(9)和光闌(10)；所述的加熱爐內置有透光口(12)、半透明試件的固定裝置(14)和溫度採集裝置 (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)；所述的溫度採集裝置(6)的溫度信號輸出端連接溫度巡檢操控儀(7)的溫度信號輸入端，溫度巡檢操控儀(7)的溫度控制信號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)的數據信號輸出端連接數據處理系統(9)的數據信號輸入端；所述的入射光源(8)發光口的中心軸線、加熱爐(4)的透光口(12)的中心軸線和參考黑體爐O)出光口的中心軸線與水平軸線(b)共線；可旋轉反光鏡⑶的鏡面中心位於參考黑體爐⑵出光口與加熱爐⑷的透光口(12) 中心的中心連線上；所述的可旋轉反光鏡(3)的鏡面中心反射的光線的中心軸線、光闌(10)的透光口的中心軸線、傅立葉紅外光譜分析儀(1)探測窗口中心軸線與垂直軸線(a)共線；水平軸線(b)與垂直軸線(a)垂直相交，交點為可旋轉反光鏡(3)的鏡面中心的中點；光源⑶的發光口至半透明試件(11)內表面光程為Li，半透明試件(11)外表面至可旋轉反光鏡⑶中心光程為L2，黑體爐⑵內腔出口至可旋轉反光鏡(3)的鏡面中心光程為L3，可旋轉反光鏡(3)的鏡面中心至傅立葉紅外光譜分析儀⑴的探測窗口光程為L4;其中 L2 = L3， L1+L2+L4 < 950mm ；入射光源(8)發射出的光線透過半透明試件(11)，沿光路到達可旋轉反光鏡(3)上， 可旋轉反光鏡(3)將到達的光線反射出來，反射的光線穿過光闌(10)的透光口，光闌(10) 將所通過的光線近似平行的進入傅立葉光譜分析儀(1)的探測窗口。
2.應用權利要求1所述的一種基於能量法的半透明材料高溫輻射率測量裝置，其特徵在於扣除背景輻射的修正方法的實現步驟為步驟一、啟動參考黑體爐O)，並對光路進行準直調節，測量參考黑體爐(2)在兩個不同溫度下的光譜輻射信號分布，然後根據去除背景噪聲的環境輻射補償算法確定傅立葉紅外光譜分析儀(1)的輸入信號與輸出信號間的響應函數；具體方法為傅立葉紅外光譜儀(1)在波長λ處的輻射信號測量輸出表達式為、(/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)所採集的光的光譜波長，SU)為波長λ處的輻射信號測量值，S' ( λ )為測量對象的實際輻射信號值，S0(A)為環境背景輻射信號值^和 &分別為試樣和環境背景的幾何因子，由光路系統的幾何關係決定；R(X)為傅立葉紅外光譜分析儀(1)的響應函數；IU，Τ)為試樣的光譜輻射強度；IJX，T0)為環境背景的輻射強度；確定公式一中G1IU λ)和G2R(X) · Ι0(λ，Τ0)的值將參考黑體爐(2)分別設定為兩個不同的溫度T1和T2，則傅立葉紅外光譜分析儀(1) 的相應輸出為^3l ( λ )和Sb2 ( λ )，根據公式一可得以下兩個等式
3.根據權利要求2所述的一種基於能量法的半透明材料高溫輻射率測量裝置扣除背景輻射的修正方法，其特徵在於所述的溫度採集裝置(6)為高溫熱電耦。
4.根據權利要求2所述的一種基於能量法的半透明材料高溫輻射率測量裝置扣除背景輻射的修正方法，其特徵在於所述的加熱器( 為4根U型矽鉬加熱棒。
5.根據權利要求2所述的一種基於能量法的半透明材料高溫輻射率測量裝置扣除背景輻射的修正方法，其特徵在於半透明試件(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為25 100mm。
6.根據權利要求2所述的一種基於能量法的半透明材料高溫輻射率測量裝置扣除背景輻射的修正方法，其特徵在於半透明試件(11)的加熱範圍是300 1773K，待測光譜波長範圍是1. 3-28 μ mo
全文摘要
一種基於能量法的半透明材料高溫輻射率測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試方法，屬於高溫測量材料物性技術領域。本發明是為了解決傳統測試系統造價昂貴、溫度加熱上限低、測試精度較低的問題。它包括傅立葉紅外光譜分析儀、參考黑體爐、可旋轉反光鏡、加熱爐，加熱器，溫度採集裝置，溫度巡檢操控儀、入射光源、數據處理系統、光闌和半透明試件；所述的加熱爐內置有透光口、半透明試件的固定裝置和溫度採集裝置；所述的入射光源發光口的中心軸線、加熱爐的透光口的中心軸線、可旋轉反光鏡的鏡面和參考黑體爐出光口的中心軸線與水平軸線共線。用於測量半透明材料表面的高溫光譜法向輻射率。
文檔編號G01N25/00GK102564610SQ20111044815
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月28日 優先權日2011年12月28日
發明者牛春洋, 王大林, 談和平, 阮立明, 齊宏 申請人:哈爾濱工業大學