一種光譜發射率的穩態測試系統與方法

2023-05-08 05:09:36

一種光譜發射率的穩態測試系統與方法
【專利摘要】本發明公開一種光譜發射率的穩態測試系統及方法，該系統包括：樣品加熱單元，用於對樣品進行熱輻射加熱，所述樣品為具有漫射表面的不透明材料；光譜輻射能量測量單元，用於對樣品表面的多光譜有效輻射能量進行測量；光譜發射率反演單元，用於根據多光譜有效輻射能量反演樣品的光譜發射率與溫度。相比於光譜發射率直接測量法，本發明提供的方法無需參考黑體源，並克服了對高溫樣品溫度進行準確測量的依賴性；相比於基於發射率模型的光譜發射率測量方法，本發明提供的方法不依賴於光譜發射率建設模型，克服了發射率假設模型給應用帶來的局限性問題。
【專利說明】一種光譜發射率的穩態測試系統與方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及測量【技術領域】，具體涉及一種光譜發射率的穩態測試系統與方法。

【背景技術】
[0002] 光譜發射率是材料重要的熱物性參數之一，表徵了材料表面的光譜輻射能力，是 光學測量、輻射熱傳遞以及熱效率分析的重要基礎物性數據，在輻射測溫、紅外加熱、遙測 遙感、能源動力、航空航天等領域有著重要意義和廣泛應用。
[0003] 現有的光譜發射率的穩態測試方法包括基於光譜發射率定義的直接測量法以及 基於特定發射率模型的多光譜的穩態測試方法。
[0004] 基於光譜發射率定義的直接測量法通過比較相同溫度條件下被測材料和理想黑 體的光譜福射強度來計算特定溫度下的光譜發射率，例如：（1) 1999年，法國的Rozenbaum 等人建立了一套採用二氧化碳雷射器加熱樣品的測量半透明材料光譜發射率的系統，光譜 範圍lO-UOOOcnf1，溫度範圍600-3000K ;(2)2004年，美國的Hanssen等人介紹了在美國 NIST建立的一套光譜發射率的穩態測試系統，光譜範圍1?20 μ m，溫度範圍600-1400K ; (3) 2007年，國內的戴景民等研製了基於傅立葉光譜儀的材料光譜發射率測量單元，波長範 圍0· 66?25μπι，溫度範圍100?1500°C。
[0005] 基於特定發射率模型的多光譜的穩態測試方法，通過構造發射率假設模型，利用 多光譜的穩態測試數據，實現材料樣品溫度與發射率函數的同時反演。
[0006] 現有技術存在的問題如下：基於光譜發射率定義的直接測量法，需對被測材料進 行高溫加熱，在該方法中，光譜發射率的測量精度與被測材料表面溫度的測量精度相關，因 此光譜發射率的測量精度受被測材料表面溫度的測量精度影響嚴重。
[0007] 基於特定發射率模型的多光譜的穩態測試方法中光譜發射率假設模型對於不同 材料的適用性問題仍然是光譜發射率測量中不可迴避的重要問題，是該方法應用的局限 性。
[0008] 綜上所述，現有的光譜發射率測量方法的材料高溫加熱、高溫樣品溫度準確的穩 態測試、樣品表面光譜輻射強度的高精度測量有待解決。


【發明內容】

[0009] 本發明所要解決的技術問題是現有的穩態測試方法及系統對高溫樣品溫度準確 測量的依賴性、樣品光譜發射率假設模型的局限性的問題。
[0010] 為此目的，本發明提出一種光譜發射率的穩態測試系統，該系統包括：
[0011] 樣品加熱單元，用於對樣品進行熱輻射加熱，所述樣品為具有漫射表面的不透明 材料；
[0012] 光譜輻射能量測量單元，用於對樣品表面的多光譜有效輻射能量進行測量；
[0013] 光譜發射率反演單元，用於根據多光譜有效輻射能量反演樣品的光譜發射率與溫 度。
[0014] 其中，所述樣品加熱單元包括：半球型密閉腔體、加熱器、氣壓子調節單元及樣品 支架；
[0015] 所述半球型密閉腔體曲面上開有一窗口，所述氣壓調節子單元安裝在所述半球型 密閉腔體底部；
[0016] 所述樣品支架安裝有冷卻迴路，所述冷卻迴路用於冷卻放置在樣品支架上的參考 樣品，所述參考樣品表面的漫反射率為預設值，該預設值大於0. 9。
[0017] 優選地，多個加熱器均勻安裝在所述半球型密閉腔體曲面內壁上構成熱輻射源。
[0018] 優選地，所述加熱器包括鎢帶石英燈、紅外加熱棒、電阻加熱絲或石墨板。
[0019] 優選地，所述氣壓調節子單元包括真空泵或充氣排氣器。
[0020] 優選地，所述半球型密閉腔體曲面內壁表面均勻噴塗吸收塗層，所述吸收塗層的 吸收率大於0. 9。
[0021] 優選地，所述半球型密閉腔體曲面內壁設置有循環冷卻水夾層。
[0022] 本發明還提供一種基於上述系統進行光譜發射率的穩態測試的方法，該方法包 括：
[0023] S1.將參考樣品放置於樣品加熱單元中的樣品支架上，通過樣品加熱單元中的熱 輻射源對參考樣品進行熱輻射加熱，同時通過樣品支架安裝的冷卻迴路對所述參考樣品進 行冷卻，所述參考樣品表面的漫反射率為預設值，該預設值大於〇. 9 ;
[0024] S2.通過光譜輻射能量測量單元對參考樣品表面的多光譜有效輻射能量進行測 量，得到所述參考樣品表面的反射多光譜輻射能量；基於參考樣品反射率，得到所述樣品加 熱單元熱輻射源的多光譜投射輻射能量；
[0025] S3.通過樣品加熱單元中的熱輻射源對樣品進行熱輻射加熱；
[0026] S4.通過光譜輻射能量測量單元對樣品表面的多光譜有效輻射能量進行測量，得 到樣品表面的多光譜有效輻射能量，所述樣品表面的多光譜有效輻射能量包括樣品表面的 自發多光譜輻射能量及反射多光譜輻射能量；
[0027] S5.改變樣品加熱單元中熱輻射源的功率，重複執行步驟S1-S4 ;
[0028] S6.根據參考樣品表面的反射多光譜輻射能量及樣品表面的多光譜有效輻射能 量，反演樣品的光譜發射率與溫度。
[0029] 其中，所述步驟S6包括：
[0030] S61.根據參考樣品表面的反射多光譜輻射能量及參考樣品表面的漫反射率，計算 樣品加熱單元中熱輻射源的多光譜投射輻射能量；
[0031] S62.根據樣品加熱單元中熱輻射源的多光譜投射輻射能量以及樣品表面的多光 譜有效輻射能量，反演樣品的光譜發射率與溫度。
[0032] 相比於現有技術，本發明提出的光譜發射率的穩態測試系統及方法通過加熱輻射 源進行樣品的高溫加熱，通過不同調製輻射源加熱條件下的多光譜輻射強度測量信息，能 夠實現樣品溫度與光譜發射率的同時反演。相比於發射率直接測量法，本發明所述的的穩 態測試過程無需參考黑體源，並克服了對高溫樣品溫度進行準確測量的依賴性；相比於基 於發射率模型的發射率測量方法而言，本發明方法不依賴於光譜發射率假設模型，克服了 發射率假設模型給應用帶來的局限性問題。本發明提出的光譜發射率的穩態測試系統及方 法具有非常好的的穩態測試精度，具有實際可行性及推廣應用性。
[0033] 本發明提出的光譜發射率的穩態測試系統及方法可以實現樣品在真空及各種氣 氛環境下高溫光譜發射率的穩態測試，通過加熱輻射源、光譜輻射測量單元的選擇可以使 樣品光譜發射率的穩態測試的溫度範圍、光譜範圍具有寬泛的調整性，涵蓋了紫外到紅外 光譜區間，以及常溫到2000°C高溫的溫度區間範圍。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0034] 為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發 明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根 據這些附圖獲得其他的附圖。
[0035] 圖1示出了實施例一的光譜發射率的穩態測試系統的結構圖。

【具體實施方式】
[0036] 為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例 中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚地描述，顯然，所描述的實施例是本發明 一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有 做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
[0037] 實施例1 :
[0038] 本發明實施例公開一種光譜發射率的穩態測試系統，如圖1所不，圖1中各標記的 含義為：樣品1、半球型密閉腔體2、窗口 3、加熱器4、真空泵5、反射鏡6、光譜輻射能量測量 單元7,該系統包括：
[0039] 樣品加熱單元，用於對樣品1進行熱輻射加熱，所述樣品1為具有漫射表面的不透 明材料；
[0040] 光譜輻射能量測量單元7,用於對樣品1表面的多光譜有效輻射能量進行測量；本 實施例中光譜輻射能量測量單元7可選用市面上已有的光譜輻射儀、光譜儀等；
[0041] 光譜發射率反演單元，用於根據多光譜有效輻射能量反演樣品1的光譜發射率與 溫度。
[0042] 其中，所述樣品加熱單元包括：半球型密閉腔體2、加熱器4、真空泵5及樣品支架。
[0043] 本實施例中的真空泵5可以替換為其他的充氣排氣器。真空泵5或充氣排氣器用 於形成各種氣氛的實驗環境。
[0044] 所述半球型密閉腔體2曲面內壁表面均勻噴塗吸收塗層，所述吸收塗層的吸收率 大於0. 9。
[0045] 所述半球型密閉腔體2曲面上開有一窗口 3,樣品1表面的輻射通過所述窗口 3， 經反射鏡6,由光譜輻射能量測量單元7採集。
[0046] 所述半球型密閉腔體2曲面內壁設置有循環冷卻水夾層，用於在腔體內形成冷壁 實驗環境。
[0047] 所述樣品支架安裝有冷卻迴路，所述冷卻迴路用於冷卻放置在樣品支架上的參考 樣品，所述參考樣品表面的漫反射率為預設值，該預設值大於〇. 9。
[0048] 多個加熱器4均勻安裝在所述半球型密閉腔體2曲面內壁上構成熱輻射源，形成 半球型密閉腔體2中均勻分布的輻射場，所述加熱器4可以是鎢帶石英燈、紅外加熱棒、電 阻加熱絲或石墨板等加熱元件。
[0049] 本實施例中，每個加熱器4可以獨立地在預設的功率下通電加熱至高溫，每個加 熱器4會發射熱輻射加熱樣品1。可以通過調節每個加熱器4的功率實現樣品加熱單元熱 輻射源的光譜輻射能量的調製，進而使樣品加熱單元具有不同的投射光譜輻射能量分布。
[0050] 本實施例中，由於放置樣品1的樣品支架中的冷卻迴路使參考樣品處於低溫狀 態，所以參考樣品表面的有效光譜輻射能量主要是反射輻射能量。
[0051] 在不同的加熱器4功率條件下，光譜輻射能量測量單元7測量出參考樣品表面的 反射多光譜輻射能量，基於參考樣品表面的漫反射率數值（本實施例中所述參考樣品表面 的漫反射率大於〇. 9)，可以計算出在不同的加熱器4功率條件下的熱輻射源的投射光譜輻 射能量，即實現了熱輻射源的光譜輻射能量的標定測量。
[0052] 樣品1在樣品加熱單元熱輻射源的輻射加熱下，達到穩定高溫狀態，樣品1是否已 達到穩定高溫狀態可以通過光譜輻射能量測量單元7判斷，若光譜輻射能量測量單元7檢 測到的光譜輻射能量穩定不變，則樣品1達到穩定高溫狀態，否則樣品1沒有達到穩定高溫 狀態。
[0053] 光譜輻射能量測量單元7測量樣品1表面的有效多光譜輻射能量，有效多光譜輻 射能量包括樣品表面的自發輻射能量及樣品表面的反射輻射能量，光譜發射率反演單元根 據光譜輻射能量反演樣品1的光譜發射率與溫度，即反演公式為
[0054] IA，eff = ε、e(T)UT) + P 人，0 ⑴ I、_rce (1)
[0055] 其中λ是波長，T是樣品表面溫度，I 是樣品表面的有效光譜輻射強度，Θ是 樣品表面的光譜福射強度方向與樣品表面法向方向的夾角；ε λ，θ (Τ)是樣品溫度為Τ時的 表面光譜發射率；Ρ λ，e (Τ)是樣品表面的光譜反射率，其數值等於1- ε λ，0 (T) ;IA，b(T)是 在與樣品相同溫度下的黑體光譜輻射強度分布；是投射到樣品表面的加熱輻射源 光譜輻射強度分布。公式（1)中，忽略輻射源與樣品之間的多次反射效應。
[0056] 由上所述，公式（1)中，含有兩個獨立未知量，溫度Τ與光譜發射率ε λ，0 (Τ)。 [0057] 通過控制加熱器4的功率調節加熱器4的輻射強度，使加熱器4具有兩種輻射加 熱條件，這兩種輻射加熱條件有相同輻射能量及不同的光譜輻射分布，光譜輻射強度分布 分別為以使得樣品1在兩種輻射加熱條件下到達相近的溫度狀態。基 於公式（1)，在兩種輻射加熱條件下，測量樣品的有效光譜輻射強度Ιλ，#:、Ιλ，# 2表示 為：

【權利要求】
1. 一種光譜發射率的穩態測試系統，其特徵在於，該系統包括： 樣品加熱單元，用於對樣品進行熱輻射加熱，所述樣品為具有漫射表面的不透明材 料； 光譜輻射能量測量單元，用於對樣品表面的多光譜有效輻射能量進行測量； 光譜發射率反演單元，用於根據多光譜有效輻射能量反演樣品的光譜發射率與溫度。
2. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述樣品加熱單元包括：半球型密閉腔 體、加熱器、氣壓子調節單元及樣品支架； 所述半球型密閉腔體曲面上開有一窗口，所述氣壓調節子單元安裝在所述半球型密閉 腔體底部； 所述樣品支架安裝有冷卻迴路，所述冷卻迴路用於冷卻放置在樣品支架上的參考樣 品，所述參考樣品表面的漫反射率為預設值，該預設值大於〇. 9。
3. 根據權利要求2所述的系統，其特徵在於，多個加熱器均勻安裝在所述半球型密閉 腔體曲面內壁上構成熱輻射源。
4. 根據權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述加熱器包括鎢帶石英燈、紅外加熱 棒、電阻加熱絲或石墨板。
5. 根據權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述氣壓調節子單元包括真空泵或充氣 排氣器。
6. 根據權利要求1或2所述的系統，其特徵在於，所述半球型密閉腔體曲面內壁表面均 勻噴塗吸收塗層，所述吸收塗層的吸收率大於0.9。
7. 根據權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述半球型密閉腔體曲面內壁設置有循 環冷卻水夾層。
8. -種基於權利要求1-7中任一項所述系統進行光譜發射率的穩態測試的方法，其特 徵在於，該方法包括 ：
51. 將參考樣品放置於樣品加熱單元中的樣品支架上，通過樣品加熱單元中的熱輻射 源對參考樣品進行熱輻射加熱，同時通過樣品支架安裝的冷卻迴路對所述參考樣品進行冷 卻，所述參考樣品表面的漫反射率為預設值，該預設值大於〇. 9 ;
52. 通過光譜輻射能量測量單元對參考樣品表面的多光譜有效輻射能量進行測量，得 到所述參考樣品表面的反射多光譜輻射能量；基於參考樣品反射率，得到所述樣品加熱單 元熱輻射源的多光譜投射輻射能量；
53. 通過樣品加熱單元中的熱輻射源對樣品進行熱輻射加熱；
54. 通過光譜輻射能量測量單元對樣品表面的多光譜有效輻射能量進行測量，得到樣 品表面的多光譜有效輻射能量，所述樣品表面的多光譜有效輻射能量包括樣品表面的自發 多光譜輻射能量及反射多光譜輻射能量；
55. 改變樣品加熱單元中熱輻射源的功率，重複執行步驟S1-S4 ;
56. 根據參考樣品表面的反射多光譜輻射能量及樣品表面的多光譜有效輻射能量，反 演樣品的光譜發射率與溫度。
9. 根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述步驟S6包括： S61.根據參考樣品表面的反射多光譜輻射能量及參考樣品表面的漫反射率，計算樣品 加熱單元中熱輻射源的多光譜投射輻射能量； S62.根據樣品加熱單元中熱輻射源的多光譜投射輻射能量以及樣品表面的多光譜有 效輻射能量，反演樣品的光譜發射率與溫度。
【文檔編號】G01N21/47GK104048945SQ201410253718
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月9日 優先權日:2014年6月9日
【發明者】符泰然, 段明皓, 唐佳琦 申請人:清華大學