一種光譜發(fā)射率的穩(wěn)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)與方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種光譜發(fā)射率的穩(wěn)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括：樣品加熱單元，用于對(duì)樣品進(jìn)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(cè)量單元，用于對(duì)樣品表面的多光譜有效輻射能量進(jìn)行測(cè)量；光譜發(fā)射率反演單元，用于根據(jù)多光譜有效輻射能量反演樣品的光譜發(fā)射率與溫度。相比于光譜發(fā)射率直接測(cè)量法，本發(fā)明提供的方法無(wú)需參考黑體源，并克服了對(duì)高溫樣品溫度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量的依賴性；相比于基于發(fā)射率模型的光譜發(fā)射率測(cè)量方法，本發(fā)明提供的方法不依賴于光譜發(fā)射率建設(shè)模型，克服了發(fā)射率假設(shè)模型給應(yīng)用帶來(lái)的局限性問題。
【專利說明】一種光譜發(fā)射率的穩(wěn)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)與方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種光譜發(fā)射率的穩(wěn)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)與方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 光譜發(fā)射率是材料重要的熱物性參數(shù)之一，表征了材料表面的光譜輻射能力，是 光學(xué)測(cè)量、輻射熱傳遞以及熱效率分析的重要基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)，在輻射測(cè)溫、紅外加熱、遙測(cè) 遙感、能源動(dòng)力、航空航天等領(lǐng)域有著重要意義和廣泛應(yīng)用。
[0003] 現(xiàn)有的光譜發(fā)射率的穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法包括基于光譜發(fā)射率定義的直接測(cè)量法以及 基于特定發(fā)射率模型的多光譜的穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法。
[0004] 基于光譜發(fā)射率定義的直接測(cè)量法通過比較相同溫度條件下被測(cè)材料和理想黑 體的光譜福射強(qiáng)度來(lái)計(jì)算特定溫度下的光譜發(fā)射率，例如：（1) 1999年，法國(guó)的Rozenbaum 等人建立了一套采用二氧化碳激光器加熱樣品的測(cè)量半透明材料光譜發(fā)射率的系統(tǒng)，光譜 范圍lO-UOOOcnf1，溫度范圍600-3000K ;(2)2004年，美國(guó)的Hanssen等人介紹了在美國(guó) NIST建立的一套光譜發(fā)射率的穩(wěn)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，光譜范圍1?20 μ m，溫度范圍600-1400K ; (3) 2007年，國(guó)內(nèi)的戴景民等研制了基于傅里葉光譜儀的材料光譜發(fā)射率測(cè)量單元，波長(zhǎng)范 圍0· 66?25μπι，溫度范圍100?1500°C。
[0005] 基于特定發(fā)射率模型的多光譜的穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法，通過構(gòu)造發(fā)射率假設(shè)模型，利用 多光譜的穩(wěn)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)材料樣品溫度與發(fā)射率函數(shù)的同時(shí)反演。
[0006] 現(xiàn)有技術(shù)存在的問題如下：基于光譜發(fā)射率定義的直接測(cè)量法，需對(duì)被測(cè)材料進(jìn) 行高溫加熱，在該方法中，光譜發(fā)射率的測(cè)量精度與被測(cè)材料表面溫度的測(cè)量精度相關(guān)，因 此光譜發(fā)射率的測(cè)量精度受被測(cè)材料表面溫度的測(cè)量精度影響嚴(yán)重。
[0007] 基于特定發(fā)射率模型的多光譜的穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法中光譜發(fā)射率假設(shè)模型對(duì)于不同 材料的適用性問題仍然是光譜發(fā)射率測(cè)量中不可回避的重要問題，是該方法應(yīng)用的局限 性。
[0008] 綜上所述，現(xiàn)有的光譜發(fā)射率測(cè)量方法的材料高溫加熱、高溫樣品溫度準(zhǔn)確的穩(wěn) 態(tài)測(cè)試、樣品表面光譜輻射強(qiáng)度的高精度測(cè)量有待解決。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有的穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法及系統(tǒng)對(duì)高溫樣品溫度準(zhǔn)確 測(cè)量的依賴性、樣品光譜發(fā)射率假設(shè)模型的局限性的問題。
[0010] 為此目的，本發(fā)明提出一種光譜發(fā)射率的穩(wěn)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：
[0011] 樣品加熱單元，用于對(duì)樣品進(jìn)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(cè)量單元，用于對(duì)樣品表面的多光譜有效輻射能量進(jìn)行測(cè)量；
[0013] 光譜發(fā)射率反演單元，用于根據(jù)多光譜有效輻射能量反演樣品的光譜發(fā)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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回路，所述冷卻回路用于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(yù)設(shè)值，該預(yù)設(shè)值大于0. 9。
[0017] 優(yōu)選地，多個(gè)加熱器均勻安裝在所述半球型密閉腔體曲面內(nèi)壁上構(gòu)成熱輻射源。
[0018] 優(yōu)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(yōu)選地，所述氣壓調(diào)節(jié)子單元包括真空泵或充氣排氣器。
[0020] 優(yōu)選地，所述半球型密閉腔體曲面內(nèi)壁表面均勻噴涂吸收涂層，所述吸收涂層的 吸收率大于0. 9。
[0021] 優(yōu)選地，所述半球型密閉腔體曲面內(nèi)壁設(shè)置有循環(huán)冷卻水夾層。
[0022] 本發(fā)明還提供一種基于上述系統(tǒng)進(jìn)行光譜發(fā)射率的穩(wěn)態(tài)測(cè)試的方法，該方法包 括：
[0023] S1.將參考樣品放置于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(duì)參考樣品進(jìn)行熱輻射加熱，同時(shí)通過樣品支架安裝的冷卻回路對(duì)所述參考樣品進(jìn) 行冷卻，所述參考樣品表面的漫反射率為預(yù)設(shè)值，該預(yù)設(shè)值大于〇. 9 ;
[0024] S2.通過光譜輻射能量測(cè)量單元對(duì)參考樣品表面的多光譜有效輻射能量進(jìn)行測(cè) 量，得到所述參考樣品表面的反射多光譜輻射能量；基于參考樣品反射率，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(duì)樣品進(jìn)行熱輻射加熱；
[0026] S4.通過光譜輻射能量測(cè)量單元對(duì)樣品表面的多光譜有效輻射能量進(jìn)行測(cè)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(fā)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，重復(fù)執(zhí)行步驟S1-S4 ;
[0028] S6.根據(jù)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(fā)射率與溫度。
[0029] 其中，所述步驟S6包括：
[0030] S61.根據(jù)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(jì)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(jù)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(fā)射率與溫度。
[0032] 相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提出的光譜發(fā)射率的穩(wěn)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)及方法通過加熱輻射 源進(jìn)行樣品的高溫加熱，通過不同調(diào)制輻射源加熱條件下的多光譜輻射強(qiáng)度測(cè)量信息，能 夠?qū)崿F(xiàn)樣品溫度與光譜發(fā)射率的同時(shí)反演。相比于發(fā)射率直接測(cè)量法，本發(fā)明所述的的穩(wěn) 態(tài)測(cè)試過程無(wú)需參考黑體源，并克服了對(duì)高溫樣品溫度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量的依賴性；相比于基 于發(fā)射率模型的發(fā)射率測(cè)量方法而言，本發(fā)明方法不依賴于光譜發(fā)射率假設(shè)模型，克服了 發(fā)射率假設(shè)模型給應(yīng)用帶來(lái)的局限性問題。本發(fā)明提出的光譜發(fā)射率的穩(wěn)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)及方 法具有非常好的的穩(wěn)態(tài)測(cè)試精度，具有實(shí)際可行性及推廣應(yīng)用性。
[0033] 本發(fā)明提出的光譜發(fā)射率的穩(wěn)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)及方法可以實(shí)現(xiàn)樣品在真空及各種氣 氛環(huán)境下高溫光譜發(fā)射率的穩(wěn)態(tài)測(cè)試，通過加熱輻射源、光譜輻射測(cè)量單元的選擇可以使 樣品光譜發(fā)射率的穩(wěn)態(tài)測(cè)試的溫度范圍、光譜范圍具有寬泛的調(diào)整性，涵蓋了紫外到紅外 光譜區(qū)間，以及常溫到2000°C高溫的溫度區(qū)間范圍。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0034] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā) 明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根 據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0035] 圖1示出了實(shí)施例一的光譜發(fā)射率的穩(wěn)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

【具體實(shí)施方式】
[0036] 為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例 中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明 一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有 做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0037] 實(shí)施例1 :
[0038] 本發(fā)明實(shí)施例公開一種光譜發(fā)射率的穩(wěn)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，如圖1所不，圖1中各標(biāo)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(cè)量 單元7,該系統(tǒng)包括：
[0039] 樣品加熱單元，用于對(duì)樣品1進(jìn)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(cè)量單元7,用于對(duì)樣品1表面的多光譜有效輻射能量進(jìn)行測(cè)量；本 實(shí)施例中光譜輻射能量測(cè)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(fā)射率反演單元，用于根據(jù)多光譜有效輻射能量反演樣品1的光譜發(fā)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(shí)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 于形成各種氣氛的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。
[0044] 所述半球型密閉腔體2曲面內(nèi)壁表面均勻噴涂吸收涂層，所述吸收涂層的吸收率 大于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(jīng)反射鏡6,由光譜輻射能量測(cè)量單元7采集。
[0046] 所述半球型密閉腔體2曲面內(nèi)壁設(shè)置有循環(huán)冷卻水夾層，用于在腔體內(nèi)形成冷壁 實(shí)驗(yàn)環(huán)境。
[0047] 所述樣品支架安裝有冷卻回路，所述冷卻回路用于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(yù)設(shè)值，該預(yù)設(shè)值大于〇. 9。
[0048] 多個(gè)加熱器4均勻安裝在所述半球型密閉腔體2曲面內(nèi)壁上構(gòu)成熱輻射源，形成 半球型密閉腔體2中均勻分布的輻射場(chǎng)，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(shí)施例中，每個(gè)加熱器4可以獨(dú)立地在預(yù)設(shè)的功率下通電加熱至高溫，每個(gè)加 熱器4會(huì)發(fā)射熱輻射加熱樣品1?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)每個(gè)加熱器4的功率實(shí)現(xiàn)樣品加熱單元熱 輻射源的光譜輻射能量的調(diào)制，進(jìn)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(shí)施例中，由于放置樣品1的樣品支架中的冷卻回路使參考樣品處于低溫狀 態(tài)，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(cè)量單元7測(cè)量出參考樣品表面的 反射多光譜輻射能量，基于參考樣品表面的漫反射率數(shù)值（本實(shí)施例中所述參考樣品表面 的漫反射率大于〇. 9)，可以計(jì)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(shí)現(xiàn)了熱輻射源的光譜輻射能量的標(biāo)定測(cè)量。
[0052] 樣品1在樣品加熱單元熱輻射源的輻射加熱下，達(dá)到穩(wěn)定高溫狀態(tài)，樣品1是否已 達(dá)到穩(wěn)定高溫狀態(tài)可以通過光譜輻射能量測(cè)量單元7判斷，若光譜輻射能量測(cè)量單元7檢 測(cè)到的光譜輻射能量穩(wěn)定不變，則樣品1達(dá)到穩(wěn)定高溫狀態(tài)，否則樣品1沒有達(dá)到穩(wěn)定高溫 狀態(tài)。
[0053] 光譜輻射能量測(cè)量單元7測(cè)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(fā)輻射能量及樣品表面的反射輻射能量，光譜發(fā)射率反演單元根 據(jù)光譜輻射能量反演樣品1的光譜發(fā)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(zhǎng)，T是樣品表面溫度，I 是樣品表面的有效光譜輻射強(qiáng)度，Θ是 樣品表面的光譜福射強(qiáng)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(shí)的 表面光譜發(fā)射率；Ρ λ，e (Τ)是樣品表面的光譜反射率，其數(shù)值等于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(qiáng)度分布；是投射到樣品表面的加熱輻射源 光譜輻射強(qiáng)度分布。公式（1)中，忽略輻射源與樣品之間的多次反射效應(yīng)。
[0056] 由上所述，公式（1)中，含有兩個(gè)獨(dú)立未知量，溫度Τ與光譜發(fā)射率ε λ，0 (Τ)。 [0057] 通過控制加熱器4的功率調(diào)節(jié)加熱器4的輻射強(qiáng)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(qiáng)度分布 分別為以使得樣品1在兩種輻射加熱條件下到達(dá)相近的溫度狀態(tài)。基 于公式（1)，在兩種輻射加熱條件下，測(cè)量樣品的有效光譜輻射強(qiáng)度Ιλ，#:、Ιλ，# 2表示 為：

【權(quán)利要求】
1. 一種光譜發(fā)射率的穩(wěn)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括： 樣品加熱單元，用于對(duì)樣品進(jìn)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(cè)量單元，用于對(duì)樣品表面的多光譜有效輻射能量進(jìn)行測(cè)量； 光譜發(fā)射率反演單元，用于根據(jù)多光譜有效輻射能量反演樣品的光譜發(fā)射率與溫度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述樣品加熱單元包括：半球型密閉腔 體、加熱器、氣壓子調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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回路，所述冷卻回路用于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(yù)設(shè)值，該預(yù)設(shè)值大于〇. 9。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，多個(gè)加熱器均勻安裝在所述半球型密閉 腔體曲面內(nèi)壁上構(gòu)成熱輻射源。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，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(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述氣壓調(diào)節(jié)子單元包括真空泵或充氣 排氣器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述半球型密閉腔體曲面內(nèi)壁表面均 勻噴涂吸收涂層，所述吸收涂層的吸收率大于0.9。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述半球型密閉腔體曲面內(nèi)壁設(shè)置有循 環(huán)冷卻水夾層。
8. -種基于權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述系統(tǒng)進(jìn)行光譜發(fā)射率的穩(wěn)態(tài)測(cè)試的方法，其特 征在于，該方法包括 ：
51. 將參考樣品放置于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(duì)參考樣品進(jìn)行熱輻射加熱，同時(shí)通過樣品支架安裝的冷卻回路對(duì)所述參考樣品進(jìn)行冷 卻，所述參考樣品表面的漫反射率為預(yù)設(shè)值，該預(yù)設(shè)值大于〇. 9 ;
52. 通過光譜輻射能量測(cè)量單元對(duì)參考樣品表面的多光譜有效輻射能量進(jìn)行測(cè)量，得 到所述參考樣品表面的反射多光譜輻射能量；基于參考樣品反射率，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(duì)樣品進(jìn)行熱輻射加熱；
54. 通過光譜輻射能量測(cè)量單元對(duì)樣品表面的多光譜有效輻射能量進(jìn)行測(cè)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(fā) 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，重復(fù)執(zhí)行步驟S1-S4 ;
56. 根據(jù)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(fā)射率與溫度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述步驟S6包括： S61.根據(jù)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(jì)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(jù)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(fā)射率與溫度。
【文檔編號(hào)】G01N21/47GK104048945SQ201410253718
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年6月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月9日
【發(fā)明者】符泰然, 段明皓, 唐佳琦 申請(qǐng)人:清華大學(xué)