專利名稱：高溫材料發(fā)射率測(cè)量方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料熱物性參數(shù)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，更具體地涉及一種利用能量比較法進(jìn)行材料高溫下發(fā)射率測(cè)量的方法。
背景技術(shù)：
目前在高溫材料發(fā)射率研究領(lǐng)域，多采用大電流通電加熱的方式，不適用于復(fù)合材料、高溫陶瓷等導(dǎo)電性能不佳的材料發(fā)射率測(cè)量，且溫度測(cè)量上限難以在保證樣品表面較好的溫場(chǎng)均勻性的同時(shí)達(dá)到2000K以上的溫度。在測(cè)量方法上采用測(cè)量絕對(duì)能量的量熱法、在標(biāo)準(zhǔn)參考黑體和被測(cè)樣品間切換測(cè)量的能量比較法等。量熱法測(cè)量誤差來(lái)源多，實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量對(duì)設(shè)備要求高。利用標(biāo)準(zhǔn)參考黑體切換測(cè)量的能量比較法難以保證兩次測(cè)量的同步性，在樣品溫度不穩(wěn)定時(shí)將帶來(lái)較大的測(cè)量誤差?！榇耍景l(fā)明提出了一種新的高溫材料發(fā)射率測(cè)量方法，以及用于實(shí)現(xiàn)該方法的系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種高溫材料發(fā)射率測(cè)量方法，能夠方便地測(cè)量被測(cè)材料高溫下的全波段發(fā)射率和光譜發(fā)射率。本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種高溫材料發(fā)射率測(cè)量系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)上述方法。根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)目的，高溫材料發(fā)射率測(cè)量方法包括以下步驟步驟I :將被測(cè)樣品加工成圓柱形，并在圓柱一側(cè)端面開(kāi)孔，孔的幾何尺寸滿足形成黑體空腔效應(yīng)條件；步驟2 :將被測(cè)樣品豎直置于真空倉(cāng)中固定，開(kāi)孔的一端朝上，使被測(cè)樣品在測(cè)試過(guò)程中始終保持在水平面內(nèi)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)；步驟3 :利用輻射能量對(duì)真空倉(cāng)中的被測(cè)樣品進(jìn)行加熱，將樣品逐漸加熱至所需的溫度并保持；步驟4:將被測(cè)樣品頂部圓端面的紅外輻射能量反射到顯微成像裝置中，通過(guò)成像測(cè)量裝置對(duì)被測(cè)樣品頂端表面及其上的黑體空腔進(jìn)行成像；步驟5 :對(duì)被測(cè)樣品及黑體空腔的輻射能量進(jìn)行紅外圖像采集，將紅外圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值代入數(shù)學(xué)模型計(jì)算出被測(cè)樣品每個(gè)空間點(diǎn)的紅外輻射能量；步驟6 :將紅外圖像中的材料表面輻射能量與黑體空腔輻射能量相比，計(jì)算出被測(cè)材料在當(dāng)前測(cè)量波長(zhǎng)下的發(fā)射率。進(jìn)一步地，上述方法還可以包括步驟7 :將不同透過(guò)特性的窄帶濾光片切入到成像光學(xué)系統(tǒng)中，重復(fù)步驟5到6，即可測(cè)得在當(dāng)前溫度下不同波長(zhǎng)下的材料光譜發(fā)射率。進(jìn)一步地，上述方法還可以包括步驟8 改變步驟3中被測(cè)樣品的溫度，重復(fù)步驟4到6，即可測(cè)得不同溫度下的材料光譜發(fā)射率。通過(guò)應(yīng)用該方法，采用整體式的能量比較法進(jìn)行樣品材料的高溫發(fā)射率測(cè)量，簡(jiǎn)化了操作過(guò)程，同時(shí)減少了測(cè)量不確定度來(lái)源，且將傳統(tǒng)的只適用于導(dǎo)電材料的大電流加熱方法改進(jìn)為適用于各種材料的輻射加熱方式，拓展了高溫材料發(fā)射率測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)目的，高溫材料發(fā)射率測(cè)量系統(tǒng)包括真空倉(cāng)、樣品測(cè)試平臺(tái)、大功率輻射源、擴(kuò)束整形均束裝置、旋轉(zhuǎn)反射鏡、成像測(cè)量裝置、溫度測(cè)量裝置。其中所述真空倉(cāng)一側(cè)設(shè)有允許輻射能量入射的窗口，與入射窗口垂直的另一側(cè)設(shè)有允許輻射能量出射的測(cè)試窗口。所述樣品測(cè)試平臺(tái)位于真空倉(cāng)內(nèi)，用于固定被測(cè)樣品，并且可以在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)被測(cè)樣品。樣品測(cè)試平臺(tái)可采用耐高溫、低導(dǎo)熱的材料做夾具固定被測(cè)樣品，在保證固定可靠的前提下使夾具和被測(cè)材料的接觸面積盡可能小，這樣可以保證較少的熱傳導(dǎo)損耗，也有利于提供樣品表面的溫場(chǎng)均勻性。樣品測(cè)試平臺(tái)還可以根據(jù)需要在水平和垂直兩個(gè)方向微調(diào)，在測(cè)試時(shí)沿垂直方向轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)速度可調(diào)。 所述大功率輻射源用于向真空倉(cāng)內(nèi)的被測(cè)樣品發(fā)射輻射加熱能量。所述擴(kuò)束整形均束裝置用于對(duì)大功率輻射源出射的熱量整形，使能量束剛好覆蓋被測(cè)樣品投影面積，且在空間上強(qiáng)度分布均勻；這樣不僅能夠?qū)?dǎo)電和非導(dǎo)電材料都能加熱，且樣品溫升快，表面溫度梯度小。所述旋轉(zhuǎn)反射鏡用于反射被測(cè)樣品的紅外輻射能量。旋轉(zhuǎn)反射鏡放置在測(cè)試窗口出口處，允許在真空倉(cāng)周圍不同方向放置不同波段的輻射能量采集系統(tǒng)。通過(guò)旋轉(zhuǎn)反射鏡旋轉(zhuǎn)不同的角度將目標(biāo)輻射能量入射到不同的輻射能量采集系統(tǒng)中。所述成像測(cè)量裝置具有紅外焦平面陣列，用于接收被測(cè)樣品的紅外輻射能量，形成紅外測(cè)試圖像。成像測(cè)量裝置采用紅外焦平面陣列接收樣品的紅外輻射能量，形成紅外測(cè)試圖像?？梢詮拿總€(gè)像素點(diǎn)的灰度信息按照數(shù)學(xué)模型計(jì)算出樣品空間上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的輻射能量信息。所述溫度測(cè)量裝置用于檢測(cè)樣品加熱過(guò)程中的溫度，并反饋到大功率輻射源以調(diào)整其輸出功率，控制樣品溫度。進(jìn)一步地，所述系統(tǒng)還可以包括顯微成像裝置，所述顯微成像裝置用于接收旋轉(zhuǎn)反射鏡反射的被測(cè)樣品的紅外輻射能量，并對(duì)被測(cè)樣品進(jìn)行放大后成像至成像測(cè)量裝置。顯微成像裝置按照樣品尺寸和真空倉(cāng)測(cè)試窗口尺寸設(shè)計(jì)，并與輻射能量采集系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)口徑相匹配，能夠?qū)ο鄬?duì)較小的樣品和其上的黑體空腔進(jìn)行放大后成像，使采集到的紅外測(cè)試圖像具有較高的空間分辨率。進(jìn)一步地，所述系統(tǒng)還可以包括光譜切換裝置，所述光譜切換裝置用于在顯微成像裝置和成像測(cè)量裝置之間的光路中切入不同透過(guò)特性的窄帶濾光片。光譜切換裝置可以根據(jù)測(cè)量需求在測(cè)試光路中切入不同透過(guò)特性的窄帶濾光片，其中心波長(zhǎng)和帶寬都可以根據(jù)測(cè)試需求方便地更換。本發(fā)明通過(guò)在被測(cè)樣品上加工出黑體空腔，并用成像方法對(duì)被測(cè)材料表面和黑體空腔的輻射能量同時(shí)測(cè)量，不僅能夠保證被測(cè)材料和標(biāo)準(zhǔn)參考樣品測(cè)量的同時(shí)性，也能夠保證樣品和參考源的完全等溫，能夠顯著減少發(fā)射率測(cè)量的誤差來(lái)源，提高測(cè)量準(zhǔn)確度和測(cè)試的便利程度，有利于本發(fā)明的工程化應(yīng)用。


圖I為本發(fā)明的發(fā)射率測(cè)量流程圖2為本發(fā)明材料高溫發(fā)射率測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的最佳實(shí)施例作進(jìn)一步描述
圖I所示為材料高溫發(fā)射率成像光譜測(cè)量流程圖。整個(gè)測(cè)試過(guò)程可以分為以下幾個(gè)步驟
步驟1，在被測(cè)樣品上加工黑體空腔。首先將被測(cè)樣品加工成圓柱形，并在圓柱一側(cè)端面開(kāi)孔，孔的幾何尺寸滿足形成黑體空腔效應(yīng)條件。
步驟2，在真空環(huán)境中旋轉(zhuǎn)樣品。將被測(cè)樣品豎直置于真空倉(cāng)中固定，開(kāi)孔的一端朝上，使被測(cè)樣品在測(cè)試過(guò)程中始終保持在水平面內(nèi)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。
步驟3，輻射加熱樣品。利用輻射能量對(duì)真空倉(cāng)中的被測(cè)樣品進(jìn)行輻射，將樣品逐漸加熱至所需的溫度并保持穩(wěn)定。
步驟4，采集樣品的輻射能量。將被測(cè)樣品頂部圓端面的紅外輻射能量反射到顯微成像裝置中，通過(guò)成像測(cè)量裝置對(duì)被測(cè)樣品頂端表面及其上的黑體空腔進(jìn)行成像。
步驟5，樣品及其黑體空腔成像。對(duì)被測(cè)樣品及其黑體空腔的輻射能量進(jìn)行紅外圖像采集，將紅外圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值代入數(shù)學(xué)模型計(jì)算出被測(cè)樣品每個(gè)空間點(diǎn)的紅外輻射能量。
步驟6，計(jì)算樣品在當(dāng)前波長(zhǎng)下的發(fā)射率。將紅外圖像中的材料表面輻射能量與黑體空腔輻射能量相比，計(jì)算出被測(cè)材料在當(dāng)前測(cè)量波長(zhǎng)下的發(fā)射率。
圖2所示的高溫材料發(fā)射率測(cè)量系統(tǒng)可用于實(shí)現(xiàn)上述方法。該系統(tǒng)包括大功率輻射源、擴(kuò)束整形均束裝置、真空倉(cāng)、樣品測(cè)試平臺(tái)、旋轉(zhuǎn)反射鏡、紅外顯微鏡頭、濾光片輪、 成像輻射計(jì)、輻射測(cè)溫儀和終端控制計(jì)算機(jī)。其中，真空倉(cāng)和樣品測(cè)試平臺(tái)共同組成了圖中所示的真空測(cè)試系統(tǒng)。
其中，大功率輻射源可采用大功率的激光器,輸出功率連續(xù)可調(diào)。使用擴(kuò)束整形均束裝置將激光器輸出的線偏振光轉(zhuǎn)為圓偏振光，均束整形后光斑為長(zhǎng)條形，幾何尺寸可以根據(jù)樣品尺寸微調(diào)，光斑強(qiáng)度分布均勻。經(jīng)真空倉(cāng)的光學(xué)窗口入射到樣品表面。
真空倉(cāng)內(nèi)壁涂黑，采用水循環(huán)或液氮制冷，為測(cè)試提供低溫冷背景。樣品測(cè)試平臺(tái)置于真空倉(cāng)內(nèi)，能夠根據(jù)輻射源的能量空間分布和測(cè)試需要作水平和垂直的兩周調(diào)整，且在測(cè)試時(shí)能夠在水平面內(nèi)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，使得入射能量均勻入射到樣品的表面，能夠提供較好的溫場(chǎng)分布均勻性。樣品測(cè)試平臺(tái)采用耐高溫、低導(dǎo)熱的材料做夾具固定被測(cè)樣品，在保證固定可靠的前提下使夾具和被測(cè)材料的接觸面積盡可能小，這樣可以保證較少的熱傳導(dǎo)損耗，也有利于提供樣品表面的溫場(chǎng)均勻性。
旋轉(zhuǎn)反射鏡和紅外顯微鏡頭共同組成了紅外成像系統(tǒng)。紅外顯微鏡頭按照樣品尺寸和真空倉(cāng)測(cè)試窗口尺寸設(shè)計(jì)，并與輻射能量采集系統(tǒng)的光學(xué)鏡頭口徑相匹配，能夠?qū)ο鄬?duì)較小的樣品和其上的黑體空腔進(jìn)行放大后成像，使采集到的紅外測(cè)試圖像具有較高的空間分辨率。旋轉(zhuǎn)反射鏡放置在測(cè)試窗口出口處，允許在真空倉(cāng)周圍不同方向放置不同波段的輻射能量采集系統(tǒng)。通過(guò)旋轉(zhuǎn)反射鏡旋轉(zhuǎn)不同的角度將目標(biāo)輻射能量入射到不同的輻射能量米集系統(tǒng)中。濾光片輪可以根據(jù)測(cè)量需求在測(cè)試光路中切入不同透過(guò)特性的濾光片，其中心波長(zhǎng)和帶寬都可以根據(jù)測(cè)試需求方便地更換。輻射能量成像測(cè)量裝置采用紅外焦平面陣列接收樣品的紅外輻射能量，形成紅外測(cè)試圖像?？梢詮拿總€(gè)像素點(diǎn)的灰度信息按照數(shù)學(xué)模型計(jì)算出樣品空間上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的輻射能
量信息。輻射測(cè)溫儀監(jiān)測(cè)樣品加熱過(guò)程中的溫度，并反饋到均勻加熱系統(tǒng)以調(diào)整輸出功率，這樣形成閉環(huán)反饋系統(tǒng)，控制樣品溫度。終端控制計(jì)算機(jī)采集整個(gè)系統(tǒng)中各部件的運(yùn)行參數(shù)、測(cè)量結(jié)果等，遠(yuǎn)傳至隔離的中央控制室，操作人員可以在遠(yuǎn)端安全環(huán)境下進(jìn)行設(shè)備的運(yùn)行操作控制、數(shù)據(jù)采集及測(cè)量結(jié)果計(jì)算輸出?！ひ韵峦ㄟ^(guò)本發(fā)明的另一實(shí)施例，綜合說(shuō)明本發(fā)明的高溫材料發(fā)射率測(cè)量方法和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程。首先，將樣品加工為圓柱形，并在一側(cè)圓端面上開(kāi)有可以等效為黑體的空腔。在測(cè)試時(shí)，將樣品開(kāi)有空腔的一側(cè)圓端面垂直向上置于真空倉(cāng)中的樣品測(cè)試平臺(tái)上固定。將真空倉(cāng)抽真空，開(kāi)啟水冷循環(huán)系統(tǒng)。開(kāi)啟大功率激光器，同時(shí)開(kāi)啟樣品測(cè)試平臺(tái)，使樣品在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。逐漸提升激光器的加熱功率，并根據(jù)溫度測(cè)量裝置反饋的測(cè)量結(jié)果調(diào)整輸出功率，最終使樣品溫度穩(wěn)定在目標(biāo)溫度下。通過(guò)調(diào)整反射鏡位置，將被測(cè)樣品的輻射能量入射到對(duì)應(yīng)的紅外顯微鏡頭中。調(diào)整與紅外顯微鏡頭配合安裝的濾光片輪，將不同中心波長(zhǎng)的濾光片切入到光路中。采用成像輻射計(jì)同時(shí)采集樣品和黑體空腔的紅外輻射圖像。對(duì)采集到的紅外圖像各像素點(diǎn)進(jìn)行分析，剔除材料與黑體空腔交界處的模糊像素點(diǎn)后，根據(jù)數(shù)學(xué)模型分別計(jì)算出被測(cè)材料和標(biāo)準(zhǔn)參考源的輻射能量，相比得到被測(cè)材料在某一溫度下的發(fā)射率?？啥啻酥貜?fù)采集紅外輻射圖像并計(jì)算，取多次測(cè)量的平均值作為特定溫度、特定光譜段下的發(fā)射率測(cè)量結(jié)果。利用不同波長(zhǎng)的成像測(cè)量裝置，在各種波長(zhǎng)下，可以得到不同光譜段下的被測(cè)材料發(fā)射率。調(diào)整激光器的輸出功率，將樣品加熱至不同的溫度，可以得到不同溫度下不同光譜段下的被測(cè)材料發(fā)射率。盡管已參照優(yōu)選實(shí)施方式描述了本發(fā)明的技術(shù)方案，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解的是，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這些具體實(shí)施方式
，在不偏離本發(fā)明的基本原理的情況下，可以對(duì)所述實(shí)施方式以及其中的具體技術(shù)特征一例如各個(gè)模塊進(jìn)行拆分、組合或改變，拆分、組合或改變后的技術(shù)方案仍將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高溫材料發(fā)射率測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟I:將被測(cè)樣品加工成圓柱形，并在圓柱一側(cè)端面開(kāi)孔，孔的幾何尺寸滿足形成黑體空腔效應(yīng)條件； 步驟2 :將被測(cè)樣品豎直置于真空倉(cāng)中固定，開(kāi)孔的一端朝上，使被測(cè)樣品在測(cè)試過(guò)程中始終保持在水平面內(nèi)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)； 步驟3 :利用輻射能量對(duì)真空倉(cāng)中的被測(cè)樣品進(jìn)行輻射，將樣品逐漸加熱至所需的溫度并保持； 步驟4 :將被測(cè)樣品頂部圓端面的紅外輻射能量反射到顯微成像裝置中，通過(guò)成像測(cè)量裝置對(duì)被測(cè)樣品頂端表面及其上的黑體空腔進(jìn)行成像； 步驟5 :對(duì)被測(cè)樣品及其黑體空腔的輻射能量進(jìn)行紅外圖像采集，將紅外圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值代入數(shù)學(xué)模型計(jì)算出被測(cè)樣品每個(gè)空間點(diǎn)的紅外輻射能量； 步驟6 :將紅外圖像中的材料表面輻射能量與黑體空腔輻射能量相比，計(jì)算出被測(cè)材料在當(dāng)前測(cè)量波長(zhǎng)下的發(fā)射率。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟 步驟7 :將不同透過(guò)特性的濾光片切入到成像光學(xué)系統(tǒng)中，重復(fù)步驟5到6，計(jì)算在當(dāng)前溫度下不同波長(zhǎng)下的材料光譜發(fā)射率。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟 步驟8 :改變步驟3中被測(cè)樣品的溫度，重復(fù)步驟4到6，計(jì)算不同溫度下的材料光譜發(fā)射率。
4.如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，步驟6中被測(cè)樣品的表面輻射能量是指整個(gè)表面的輻射能量的平均值，所述黑體空腔的輻射值是指黑體空腔輻射值的平均值。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述真空倉(cāng)的倉(cāng)壁通過(guò)水循環(huán)或液氮方式制冷，為測(cè)試提供低溫冷背景。
6.一種高溫材料發(fā)射率測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括 真空倉(cāng)，所述真空倉(cāng)一側(cè)設(shè)有允許輻射能量入射的窗口，與入射窗口垂直的另一側(cè)設(shè)有允許輻射能量出射的測(cè)試窗口； 位于真空倉(cāng)內(nèi)的樣品測(cè)試平臺(tái)，所述樣品測(cè)試平臺(tái)用于固定被測(cè)樣品，并且可以在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)被測(cè)樣品； 大功率輻射源，用于向真空倉(cāng)內(nèi)的被測(cè)樣品發(fā)射輻射加熱能量； 擴(kuò)束整形均束裝置，用于對(duì)大功率輻射源出射的熱量整形，使能量束剛好覆蓋被測(cè)樣品投影面積，且在空間上強(qiáng)度分布均勻； 位于真空倉(cāng)測(cè)試窗口出口處的旋轉(zhuǎn)反射鏡，用于反射被測(cè)樣品的紅外輻射能量；成像測(cè)量裝置，具有紅外焦平面陣列，用于接收被測(cè)樣品的紅外輻射能量，形成紅外測(cè)試圖像； 溫度測(cè)量裝置，用于檢測(cè)樣品加熱過(guò)程中的溫度，并反饋到大功率輻射源以調(diào)整其輸出功率，控制樣品溫度。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括顯微成像裝置，所述顯微成像裝置用于接收旋轉(zhuǎn)反射鏡反射的被測(cè)樣品的紅外輻射能量，并對(duì)被測(cè)樣品進(jìn)行放大后成像至成像測(cè)量裝置。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括光譜切換裝置，所述光譜切換裝置用于在顯微成像裝置和成像測(cè)量裝置之間的光路中切入不同透過(guò)特性的濾光片。
9.如權(quán)利要求6-8任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述真空倉(cāng)的倉(cāng)壁通過(guò)水循環(huán)或液氮方式制冷，為測(cè)試提供低溫冷背景。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種高溫材料發(fā)射率測(cè)量方法和系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)包括大功率輻射源、擴(kuò)束整形均束裝置、真空倉(cāng)、樣品測(cè)試平臺(tái)、旋轉(zhuǎn)反射鏡、顯微成像裝置、光譜切換裝置、輻射能量成像測(cè)量裝置、溫度測(cè)量裝置。本發(fā)明通過(guò)在被測(cè)樣品上加工出黑體空腔，并用成像方法對(duì)被測(cè)材料表面和黑體空腔的輻射能量同時(shí)測(cè)量，采用窄帶濾光片進(jìn)行光譜選擇，不僅能夠保證被測(cè)材料和標(biāo)準(zhǔn)參考樣品測(cè)量的同時(shí)性，也能夠保證樣品和參考源的完全等溫，能夠顯著減少發(fā)射率測(cè)量的誤差來(lái)源，提高測(cè)量準(zhǔn)確度和測(cè)試的便利程度，有利于本發(fā)明的工程化應(yīng)用。
文檔編號(hào)G01N21/00GK102928343SQ201210458688
公開(kāi)日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月15日
發(fā)明者張虎, 孫紅勝, 陳應(yīng)航, 王加朋, 任小婉, 宋春暉, 李世偉 申請(qǐng)人:北京振興計(jì)量測(cè)試研究所