專利名稱：一種高溫材料法向光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及測量材料熱物理參數(shù)技術領域，特別涉及一種高溫材料法向光譜發(fā)射 率測量系統(tǒng)，適用于測量高溫金屬、非金屬材料的表面法向光譜發(fā)射率。
背景技術：
法向光譜發(fā)射率是材料的重要熱物性參數(shù)之一，表征了材料表面的光譜輻射能 力，是輻射測溫與輻射換熱分析的重要基礎物性數(shù)據(jù)。在航空航天、石油化工、冶金、鋼鐵、 水泥、玻璃、微電子加工等工業(yè)領域，輻射測溫是解決生產環(huán)節(jié)中的高溫溫度在線測量與診 斷的有效手段，然而材料光譜發(fā)射率的未知性是實現(xiàn)輻射溫度準確測量的主要障礙；此外， 高溫狀態(tài)下的光譜發(fā)射率數(shù)據(jù)，對研究光譜選擇性輻射表面的材料和涂層尤為重要。光譜 發(fā)射率與材料的組分、溫度、波長范圍、表面狀態(tài)等諸多因素復雜相關，對于特定的測量實 例，已有文獻中的相關光譜發(fā)射率數(shù)據(jù)并不能完全滿足應用需求。
國內外從事熱測量科學的學者對材料法向光譜發(fā)射率的相關測量技術開展了許 多研究工作。根據(jù)測試原理的不同，發(fā)射率測量方法可分為量熱法(如穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài))、反 射法(如熱腔反射計法、積分球反射計法、激光偏振法)、能量法(如紅外傅立葉光譜法、 黑體法)、多波長法等。其中采用傅立葉光譜法進行發(fā)射率測量的研究工作較為典型，例 如1) 1992年，德國Lindermeir等人利用傅里葉紅外光譜儀設計了一套能夠同時測量物 體發(fā)射率和溫度(500K以下)的裝置，測量的波長范圍為1.3 5.4μπι;2)2003年，日本 ^jima等人采用分離黑體法建立了一套高溫下可同時測量全光譜發(fā)射率和光學常數(shù)的測 試系統(tǒng)，對鉬和氧化鋯試樣在光譜范圍2 10 μ m、溫度范圍900 1400K條件下進行了試 驗；3) 2007年，戴景民等采用傅里葉光譜儀研制了固體材料光譜發(fā)射率測量裝置，光譜范 圍0. 66 25 μ m，溫度范圍100 1500°C。
目前，基于傅里葉光譜儀的光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)，盡管能夠實現(xiàn)寬波長范圍、寬溫 度范圍的光譜發(fā)射率的高精度測量，但是價格昂貴、構造復雜。因此，針對于實際的高溫測 量應用需求，發(fā)展一種技術實施難度小、簡單可靠的高溫光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)，是很有意義 的工作。發(fā)明內容
(一)要解決的技術問題
本發(fā)明要解決的技術問題是建立一種高溫材料法向光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)，實現(xiàn) 0.4μπι 1.7μπι光譜范圍、600°C 1500°C溫度范圍的材料法向光譜發(fā)射率測量。
( 二 )技術方案
為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種高溫材料法向光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)，包 括
真空加熱單元，其上部設置測試樣品，對測試樣品下表面進行輻射加熱；
水冷套筒單元，套設在所述測試樣品上部，將測試樣品上表面置于恒溫冷環(huán)境中；
光纖傳感器測量單元，設置在所述測試樣品上方，測量測試樣品上表面的法向光 譜輻射強度；
數(shù)據(jù)采集與分析單元，與所述光纖傳感器測量單元連接，依據(jù)所測得的所述測試 樣品上表面的法向光譜輻射強度，通過多光譜反演算法，計算其法向光譜發(fā)射率。
上述一種高溫材料法向光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)中，所述真空加熱單元包括真空輻射 加熱室和與所述真空輻射加熱室相連的真空泵。
上述一種高溫材料法向光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)中，所述水冷套筒單元包括水冷圓柱 套筒，由黃銅制成，所述水冷圓柱套筒筒壁內通有循環(huán)冷水，內壁表面均勻涂有發(fā)射率不小 于0.9的高發(fā)射率材料。
上述一種高溫材料法向光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)中，所述光纖傳感器測量單元包括
光纖保護套筒，設置在所述水冷圓柱套筒內，位于所述測試樣品上方；
光闌，設置在所述光纖保護套筒底部；
光學鏡頭，固定在所述光闌上；
過真空光纖，與所述光學鏡頭耦合連接；
可見光-近紅外光譜儀，分別與所述過真空光纖和數(shù)據(jù)采集與分析單元連接。
上述一種高溫材料法向光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)中，所述測試樣品側面設置有絕熱夾 板，所述絕熱夾板卡在所述水冷圓柱套筒和測試樣品之間。
上述一種高溫材料法向光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)中，所述真空輻射加熱室為不銹鋼制 成的圓筒空腔，空腔側壁和底面均設置有紅外輻射加熱器件，空腔頂面具有開口，所述測試 樣品設置在所述開口處。
上述一種高溫材料法向光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)中，所述紅外輻射加熱器件為硅鉬棒 或硅碳棒，其工作溫度上限為1600°C。
上述一種高溫材料法向光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)中，所述光纖傳感器測量單元采用高 溫黑體爐進行光譜輻射強度測量響應的離線定標，定標后的光纖傳感器測量單元用于在線 獲得所述測試樣品在可見光-近紅外光譜范圍內的絕對光譜輻射強度。
上述一種高溫材料法向光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)中，所述光纖保護套筒和光闌均由金 屬材料制成。
(三)有益效果
(1)上述技術方案采用了水冷圓柱套筒、光闌和光纖傳輸測量等相結合的測試技 術，具有光路設計簡單、輻射測量干擾少等優(yōu)點，測量系統(tǒng)可以進行離線的絕對光譜輻射強 度的定標，避免了在線輻射定標所帶來的復雜系統(tǒng)設計與技術實施困難；
(2)上述技術方案的數(shù)據(jù)采集與分析單元利用多光譜輻射測量反演算法同時獲得 了測試目標的熱力學溫度和光譜發(fā)射率數(shù)據(jù)，避免了熱電偶表面測溫的局限性；
(3)上述技術方案所述的測量系統(tǒng)實現(xiàn)了光譜范圍0. 4 μ m 1. 7 μ m，溫度范圍 600°C 1500°C的法向光譜發(fā)射率的測量，系統(tǒng)適用于金屬、非金屬、導體、非導體等各種材 料的高溫測量。


圖1是本發(fā)明實施例的一種高溫材料法向光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)的結構圖示。
其中，1 真空輻射加熱室；2 水冷圓柱套筒；3 光纖保護套筒；4 光闌；5 過真空 光纖；6 光學鏡頭；7 測試樣品；8 絕熱夾板。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施 例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
圖1示出了本實施例的一種高溫材料法向光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)的結構示意圖，包 括真空加熱單元、水冷套筒單元、光纖傳感器測量單元以及數(shù)據(jù)采集與分析單元。真空加熱 單元對真空環(huán)境下的測試樣品進行下表面加熱；樣品上表面作為被測試表面，水冷套筒單 元為樣品測試表面提供一個恒溫冷環(huán)境；光纖傳感器測量單元實現(xiàn)樣品測試表面的法向光 譜輻射強度的測量，樣品上表面法向輻射通過光纖導出至測量單元中的光譜儀；光譜儀的 輸出信號經過數(shù)據(jù)采集與分析單元的處理，依據(jù)所獲得的測試表面的絕對光譜輻射強度數(shù) 據(jù)，通過多光譜輻射測量反演算法，同時計算出高溫表面的法向光譜發(fā)射率和熱力學溫度。
真空加熱單元由真空輻射加熱室1和與之相連的真空泵組成，其中真空輻射加熱 室1是真空加熱單元的主要組成部分，為不銹鋼制成的圓筒空腔，內徑20cm，高度40cm，空 腔側壁和底面設置有高發(fā)射率的紅外輻射加熱器件，例如硅鉬棒、硅碳棒等，通過調節(jié)紅外 加熱器件的電功率，即可以設置不同的高溫工作狀態(tài)，其中溫度由真空輻射加熱室1內設 置的高溫熱電偶監(jiān)測，工作溫度上限可達到1600°C。真空輻射加熱室1空腔的頂面留有開 口，放置被測試樣品7，樣品直徑為3cm。真空輻射加熱室1的高溫加熱元件對測試樣品7 的下表面進行輻射加熱，使整個測試樣品7達到穩(wěn)定的高溫測試狀態(tài)。
水冷套筒單元包括水冷圓柱套筒2，該套筒由高導熱率的黃銅加工制成，內徑10cm， 高度30cm，套筒薄壁內通有低溫循環(huán)冷水，套筒內壁表面均勻涂有發(fā)射率不小于0. 9的高發(fā) 射率材料，以提供一個近似黑體的環(huán)境，水冷圓柱套筒2設置于測試樣品7上部空間，為測試 樣品7上表面輻射測量提供一個低反射的冷環(huán)境，減少測量中的高溫反射輻射干擾。
測試樣品7的側面設有絕熱夾板8，絕熱夾板8卡在測試樣品7和水冷圓柱套筒2 之間，一方面有固定測試樣品7的作用，另一方面防止真空輻射加熱室1的高溫輻射對于上 部空間的加熱。
光纖傳感器測量單元是測量系統(tǒng)的核心單元之一，主要包括光纖保護套筒3、光闌 4、過真空光纖5、微型光學鏡頭6和可見光-近紅外光譜儀。光纖保護套筒3采用金屬制成， 設置在水冷圓柱套筒2內，用以固定、保護過真空光纖5，以免受到意外高溫輻射的影響；光 闌4固定在光纖保護套筒3底部，光闌孔徑1cm，用以最大程度的限制進入光纖測量光路的 雜散光；光學鏡頭6固定在光闌4上，并與過真空光纖5耦合連接，光學鏡頭6距離測試樣 品Icm左右，將測試樣品7的表面中心區(qū)域的法向輻射聚焦至過真空光纖5入口，法向輻射 通過過真空光纖5傳輸至與其相連的可見光-近紅外光譜儀，獲得0. 4 μ m 1. 7 μ m光譜 范圍內的光譜輻射強度分布。
光纖傳感器測量單元通過高溫黑體爐進行絕對光譜輻射強度的離線定標，定標黑 體爐的溫度設置范圍600°C 1500°C，獲得0.4μπι 1.7μπι范圍內的絕對光譜輻射強度的校正系數(shù)，用以校準測量上述測量步驟所獲得的光譜輻射強度數(shù)據(jù)，校正系數(shù)內嵌于測 量系統(tǒng)中。
測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與分析單元與可見光-近紅外光譜儀連接，將可見光-近紅 外光譜儀所輸出的光譜輻射強度信息進行分析處理，依據(jù)所獲得的測試表面的絕對光譜輻 射強度數(shù)據(jù)，通過多光譜輻射測量反演算法，計算出高溫表面的熱力學溫度，避免了使用熱 電偶測溫的不準確以及對樣品表面造成影響，進而可以獲得表面的法向光譜發(fā)射率。
多光譜輻射測量反演算法的基本原理如下所述
測量方程組為
權利要求
1.一種高溫材料法向光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)，其特征在于，包括真空加熱單元，其上部設置測試樣品(7)，對測試樣品(7)下表面進行輻射加熱；水冷套筒單元，套設在所述測試樣品(7)上部，將測試樣品(7)上表面置于恒溫冷環(huán)境中；光纖傳感器測量單元，設置在所述測試樣品(7)上方，測量測試樣品(7)上表面的法向 光譜輻射強度；數(shù)據(jù)采集與分析單元，與所述光纖傳感器測量單元連接，依據(jù)所測得的所述測試樣品 (7)上表面的法向光譜輻射強度，通過多光譜反演算法，計算其法向光譜發(fā)射率。
2.如權利要求1所述的一種高溫材料法向光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)，其特征在于，所述真 空加熱單元包括真空輻射加熱室(1)和與所述真空輻射加熱室(1)相連的真空泵。
3.如權利要求1所述的一種高溫材料法向光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)，其特征在于，所述水 冷套筒單元包括水冷圓柱套筒O)，由黃銅制成，所述水冷圓柱套筒( 筒壁內通有循環(huán)冷 水，內壁表面均勻涂有發(fā)射率不小于0. 9的高發(fā)射率材料。
4.如權利要求3所述的一種高溫材料法向光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)，其特征在于，所述光 纖傳感器測量單元包括光纖保護套筒(3)，設置在所述水冷圓柱套筒O)內，位于所述測試樣品(7)上方；光闌G)，設置在所述光纖保護套筒C3)底部；光學鏡頭(6)，固定在所述光闌⑷上；過真空光纖(5)，與所述光學鏡頭(6)耦合連接；可見光-近紅外光譜儀，分別與所述過真空光纖( 和數(shù)據(jù)采集與分析單元連接。
5.如權利要求3所述的一種高溫材料法向光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)，其特征在于，所述測 試樣品(7)側面設置有絕熱夾板(8)，所述絕熱夾板(8)卡在所述水冷圓柱套筒( 和測試 樣品(7)之間。
6.如權利要求2所述的一種高溫材料法向光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)，其特征在于，所述真 空輻射加熱室(1)為不銹鋼制成的圓筒空腔，空腔側壁和底面均設置有紅外輻射加熱器 件，空腔頂面具有開口，所述測試樣品(7)設置在所述開口處。
7.如權利要求6所述的一種高溫材料法向光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)，其特征在于，所述紅 外輻射加熱器件為硅鉬棒或硅碳棒，其工作溫度上限為1600°C。
8.如權利要求4所述的一種高溫材料法向光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)，其特征在于，所述光 纖傳感器測量單元采用高溫黑體爐進行光譜輻射強度測量響應的離線定標，定標后的光纖 傳感器測量單元用于在線獲得所述測試樣品(7)在可見光-近紅外光譜范圍內的絕對光譜 輻射強度。
9.如權利要求4所述的一種高溫材料法向光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)，其特征在于，所述光 纖保護套筒C3)和光闌(4)均由金屬材料制成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高溫材料法向光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)，包括真空加熱單元，其上部設置測試樣品，對測試樣品下表面進行輻射加熱；水冷套筒單元，套設在測試樣品上部，將測試樣品上表面置于恒溫冷環(huán)境中；光纖傳感器測量單元，設置在測試樣品上方，測量測試樣品上表面的法向光譜輻射強度；數(shù)據(jù)采集與分析單元，與光纖傳感器測量單元連接，依據(jù)所測得的法向光譜輻射強度，通過多光譜反演算法，計算其法向光譜發(fā)射率。本發(fā)明實現(xiàn)了0.4μm～1.7μm光譜范圍、600℃～1500℃溫度范圍的材料法向光譜發(fā)射率測量，測量無需在線輻射定標，技術實現(xiàn)簡單、準確可靠，克服了現(xiàn)有光譜發(fā)射率裝置價格昂貴、構造復雜、技術實施難度較大等應用的局限性。
文檔編號G01J3/28GK102042993SQ201010562419
公開日2011年5月4日 申請日期2010年11月23日 優(yōu)先權日2010年11月23日
發(fā)明者曹陽, 符泰然, 談鵬, 趙桓 申請人:中國航天科工集團第三總體設計部, 清華大學