[發明專利]一種高溫材料法向光譜發射率測量系統

有效

• 申請號: 201010562419.8
• 申請日: 2010-11-23
• 公開（公告）號: CN102042993A
• 公開（公告）日: 2011-05-04
• 發明（設計）人: 符泰然;談鵬;曹陽;趙桓
• 申請（專利權）人: 清華大學;中國航天科工集團第三總體設計部
• 主分類號: G01N25/00
• 分類號: G01N25/00;G01J3/28
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 王瑩

技術領域

本發明涉及測量材料熱物理參數技術領域，特別涉及一種高溫材料法向光譜發射率測量系統，適用于測量高溫金屬、非金屬材料的表面法向光譜發射率。

背景技術

法向光譜發射率是材料的重要熱物性參數之一，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據。在航空航天、石油化工、冶金、鋼鐵、水泥、玻璃、微電子加工等工業領域，輻射測溫是解決生產環節中的高溫溫度在線測量與診斷的有效手段，然而材料光譜發射率的未知性是實現輻射溫度準確測量的主要障礙；此外，高溫狀態下的光譜發射率數據，對研究光譜選擇性輻射表面的材料和涂層尤為重要。光譜發射率與材料的組分、溫度、波長范圍、表面狀態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射率數據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射率的相關測量技術開展了許多研究工作。根據測試原理的不同，發射率測量方法可分為量熱法(如穩態和瞬態)、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射率和溫度(500K以下)的裝置，測量的波長范圍為1.3～5.4μm；2)2003年，日本Yajima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射率和光學常數的測試系統，對鉬和氧化鋯試樣在光譜范圍2～10μm、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射率測量裝置，光譜范圍0.66～25μm，溫度范圍100～1500℃。

目前，基于傅里葉光譜儀的光譜發射率測量系統，盡管能夠實現寬波長范圍、寬溫度范圍的光譜發射率的高精度測量，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，發展一種技術實施難度小、簡單可靠的高溫光譜發射率測量系統，是很有意義的工作。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明要解決的技術問題是建立一種高溫材料法向光譜發射率測量系統，實現0.4μm～1.7μm光譜范圍、600℃～1500℃溫度范圍的材料法向光譜發射率測量。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明提供一種高溫材料法向光譜發射率測量系統，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；

數據采集與分析單元，與所述光纖傳感器測量單元連接，依據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，計算其法向光譜發射率。

上述一種高溫材料法向光譜發射率測量系統中，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射率測量系統中，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冷水，內壁表面均勻涂有發射率不小于0.9的高發射率材料。

上述一種高溫材料法向光譜發射率測量系統中，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據采集與分析單元連接。

上述一種高溫材料法向光譜發射率測量系統中，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射率測量系統中，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射率測量系統中，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℃。

上述一種高溫材料法向光譜發射率測量系統中，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。