[發(fā)明專利]一種光譜發(fā)射率的穩(wěn)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)與方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410253718.1
• 申請(qǐng)日: 2014-06-09
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104048945B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-01-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 符泰然;段明皓;唐佳琦
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/47
• 分類號(hào): G01N21/47
• 代理公司: 北京路浩知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11002
• 代理人: 李迪

技術(shù)領(lǐng)域

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)

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。

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。

基于光譜發(fā)射率定義的直接測(cè)量法通過(guò)比較相同溫度條件下被測(cè)材料和理想黑體的光譜輻射強(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10-12000cm^-1，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1～20μm，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0.66～25μm，溫度范圍100～1500℃。

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(guò)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。

現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)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。

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(wèn)題仍然是光譜發(fā)射率測(cè)量中不可回避的重要問(wèn)題，是該方法應(yīng)用的局限性。

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

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)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(wèn)題。

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：

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。

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；

所述半球型密閉腔體曲面上開(kāi)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0.9。

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。

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。

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。

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。

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。

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：

S1.將參考樣品放置于樣品加熱單元中的樣品支架上，通過(guò)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(guò)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0.9；

S2.通過(guò)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；

S3.通過(guò)樣品加熱單元中的熱輻射源對(duì)樣品進(jìn)行熱輻射加熱；

S4.通過(guò)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；

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；