一种光谱发射率的稳态测试系统与方法
【专利摘要】本发明公开一种光谱发射率的稳态测试系统及方法，该系统包括：样品加热单元，用于对样品进行热辐射加热，所述样品为具有漫射表面的不透明材料；光谱辐射能量测量单元，用于对样品表面的多光谱有效辐射能量进行测量；光谱发射率反演单元，用于根据多光谱有效辐射能量反演样品的光谱发射率与温度。相比于光谱发射率直接测量法，本发明提供的方法无需参考黑体源，并克服了对高温样品温度进行准确测量的依赖性；相比于基于发射率模型的光谱发射率测量方法，本发明提供的方法不依赖于光谱发射率建设模型，克服了发射率假设模型给应用带来的局限性问题。
【专利说明】一种光谱发射率的稳态测试系统与方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及测量【技术领域】，具体涉及一种光谱发射率的稳态测试系统与方法。
【背景技术】
[0002] 光谱发射率是材料重要的热物性参数之一，表征了材料表面的光谱辐射能力，是 光学测量、辐射热传递以及热效率分析的重要基础物性数据，在辐射测温、红外加热、遥测 遥感、能源动力、航空航天等领域有着重要意义和广泛应用。
[0003] 现有的光谱发射率的稳态测试方法包括基于光谱发射率定义的直接测量法以及 基于特定发射率模型的多光谱的稳态测试方法。
[0004] 基于光谱发射率定义的直接测量法通过比较相同温度条件下被测材料和理想黑 体的光谱福射强度来计算特定温度下的光谱发射率，例如：（1) 1999年，法国的Rozenbaum 等人建立了一套采用二氧化碳激光器加热样品的测量半透明材料光谱发射率的系统，光谱 范围lO-UOOOcnf1，温度范围600-3000K ;(2)2004年，美国的Hanssen等人介绍了在美国 NIST建立的一套光谱发射率的稳态测试系统，光谱范围1?20 μ m，温度范围600-1400K ; (3) 2007年，国内的戴景民等研制了基于傅里叶光谱仪的材料光谱发射率测量单元，波长范 围0· 66?25μπι，温度范围100?1500°C。
[0005] 基于特定发射率模型的多光谱的稳态测试方法，通过构造发射率假设模型，利用 多光谱的稳态测试数据，实现材料样品温度与发射率函数的同时反演。
[0006] 现有技术存在的问题如下：基于光谱发射率定义的直接测量法，需对被测材料进 行高温加热，在该方法中，光谱发射率的测量精度与被测材料表面温度的测量精度相关，因 此光谱发射率的测量精度受被测材料表面温度的测量精度影响严重。
[0007] 基于特定发射率模型的多光谱的稳态测试方法中光谱发射率假设模型对于不同 材料的适用性问题仍然是光谱发射率测量中不可回避的重要问题，是该方法应用的局限 性。
[0008] 综上所述，现有的光谱发射率测量方法的材料高温加热、高温样品温度准确的稳 态测试、样品表面光谱辐射强度的高精度测量有待解决。
【发明内容】
[0009] 本发明所要解决的技术问题是现有的稳态测试方法及系统对高温样品温度准确 测量的依赖性、样品光谱发射率假设模型的局限性的问题。
[0010] 为此目的，本发明提出一种光谱发射率的稳态测试系统，该系统包括：
[0011] 样品加热单元，用于对样品进行热辐射加热，所述样品为具有漫射表面的不透明 材料；
[0012] 光谱辐射能量测量单元，用于对样品表面的多光谱有效辐射能量进行测量；
[0013] 光谱发射率反演单元，用于根据多光谱有效辐射能量反演样品的光谱发射率与温 度。
[0014] 其中，所述样品加热单元包括：半球型密闭腔体、加热器、气压子调节单元及样品 支架；
[0015] 所述半球型密闭腔体曲面上开有一窗口，所述气压调节子单元安装在所述半球型 密闭腔体底部；
[0016] 所述样品支架安装有冷却回路，所述冷却回路用于冷却放置在样品支架上的参考 样品，所述参考样品表面的漫反射率为预设值，该预设值大于0. 9。
[0017] 优选地，多个加热器均匀安装在所述半球型密闭腔体曲面内壁上构成热辐射源。
[0018] 优选地，所述加热器包括钨带石英灯、红外加热棒、电阻加热丝或石墨板。
[0019] 优选地，所述气压调节子单元包括真空泵或充气排气器。
[0020] 优选地，所述半球型密闭腔体曲面内壁表面均匀喷涂吸收涂层，所述吸收涂层的 吸收率大于0. 9。
[0021] 优选地，所述半球型密闭腔体曲面内壁设置有循环冷却水夹层。
[0022] 本发明还提供一种基于上述系统进行光谱发射率的稳态测试的方法，该方法包 括：
[0023] S1.将参考样品放置于样品加热单元中的样品支架上，通过样品加热单元中的热 辐射源对参考样品进行热辐射加热，同时通过样品支架安装的冷却回路对所述参考样品进 行冷却，所述参考样品表面的漫反射率为预设值，该预设值大于〇. 9 ;
[0024] S2.通过光谱辐射能量测量单元对参考样品表面的多光谱有效辐射能量进行测 量，得到所述参考样品表面的反射多光谱辐射能量；基于参考样品反射率，得到所述样品加 热单元热辐射源的多光谱投射辐射能量；
[0025] S3.通过样品加热单元中的热辐射源对样品进行热辐射加热；
[0026] S4.通过光谱辐射能量测量单元对样品表面的多光谱有效辐射能量进行测量，得 到样品表面的多光谱有效辐射能量，所述样品表面的多光谱有效辐射能量包括样品表面的 自发多光谱辐射能量及反射多光谱辐射能量；
[0027] S5.改变样品加热单元中热辐射源的功率，重复执行步骤S1-S4 ;
[0028] S6.根据参考样品表面的反射多光谱辐射能量及样品表面的多光谱有效辐射能 量，反演样品的光谱发射率与温度。
[0029] 其中，所述步骤S6包括：
[0030] S61.根据参考样品表面的反射多光谱辐射能量及参考样品表面的漫反射率，计算 样品加热单元中热辐射源的多光谱投射辐射能量；
[0031] S62.根据样品加热单元中热辐射源的多光谱投射辐射能量以及样品表面的多光 谱有效辐射能量，反演样品的光谱发射率与温度。
[0032] 相比于现有技术，本发明提出的光谱发射率的稳态测试系统及方法通过加热辐射 源进行样品的高温加热，通过不同调制辐射源加热条件下的多光谱辐射强度测量信息，能 够实现样品温度与光谱发射率的同时反演。相比于发射率直接测量法，本发明所述的的稳 态测试过程无需参考黑体源，并克服了对高温样品温度进行准确测量的依赖性；相比于基 于发射率模型的发射率测量方法而言，本发明方法不依赖于光谱发射率假设模型，克服了 发射率假设模型给应用带来的局限性问题。本发明提出的光谱发射率的稳态测试系统及方 法具有非常好的的稳态测试精度，具有实际可行性及推广应用性。
[0033] 本发明提出的光谱发射率的稳态测试系统及方法可以实现样品在真空及各种气 氛环境下高温光谱发射率的稳态测试，通过加热辐射源、光谱辐射测量单元的选择可以使 样品光谱发射率的稳态测试的温度范围、光谱范围具有宽泛的调整性，涵盖了紫外到红外 光谱区间，以及常温到2000°C高温的温度区间范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0034] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发 明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根 据这些附图获得其他的附图。
[0035] 图1示出了实施例一的光谱发射率的稳态测试系统的结构图。
【具体实施方式】
[0036] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例 中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明 一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有 做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0037] 实施例1 :
[0038] 本发明实施例公开一种光谱发射率的稳态测试系统，如图1所不，图1中各标记的 含义为：样品1、半球型密闭腔体2、窗口 3、加热器4、真空泵5、反射镜6、光谱辐射能量测量 单元7,该系统包括：
[0039] 样品加热单元，用于对样品1进行热辐射加热，所述样品1为具有漫射表面的不透 明材料；
[0040] 光谱辐射能量测量单元7,用于对样品1表面的多光谱有效辐射能量进行测量；本 实施例中光谱辐射能量测量单元7可选用市面上已有的光谱辐射仪、光谱仪等；
[0041] 光谱发射率反演单元，用于根据多光谱有效辐射能量反演样品1的光谱发射率与 温度。
[0042] 其中，所述样品加热单元包括：半球型密闭腔体2、加热器4、真空泵5及样品支架。
[0043] 本实施例中的真空泵5可以替换为其他的充气排气器。真空泵5或充气排气器用 于形成各种气氛的实验环境。
[0044] 所述半球型密闭腔体2曲面内壁表面均匀喷涂吸收涂层，所述吸收涂层的吸收率 大于0. 9。
[0045] 所述半球型密闭腔体2曲面上开有一窗口 3,样品1表面的辐射通过所述窗口 3， 经反射镜6,由光谱辐射能量测量单元7采集。
[0046] 所述半球型密闭腔体2曲面内壁设置有循环冷却水夹层，用于在腔体内形成冷壁 实验环境。
[0047] 所述样品支架安装有冷却回路，所述冷却回路用于冷却放置在样品支架上的参考 样品，所述参考样品表面的漫反射率为预设值，该预设值大于〇. 9。
[0048] 多个加热器4均匀安装在所述半球型密闭腔体2曲面内壁上构成热辐射源，形成 半球型密闭腔体2中均匀分布的辐射场，所述加热器4可以是钨带石英灯、红外加热棒、电 阻加热丝或石墨板等加热元件。
[0049] 本实施例中，每个加热器4可以独立地在预设的功率下通电加热至高温，每个加 热器4会发射热辐射加热样品1。可以通过调节每个加热器4的功率实现样品加热单元热 辐射源的光谱辐射能量的调制，进而使样品加热单元具有不同的投射光谱辐射能量分布。
[0050] 本实施例中，由于放置样品1的样品支架中的冷却回路使参考样品处于低温状 态，所以参考样品表面的有效光谱辐射能量主要是反射辐射能量。
[0051] 在不同的加热器4功率条件下，光谱辐射能量测量单元7测量出参考样品表面的 反射多光谱辐射能量，基于参考样品表面的漫反射率数值（本实施例中所述参考样品表面 的漫反射率大于〇. 9)，可以计算出在不同的加热器4功率条件下的热辐射源的投射光谱辐 射能量，即实现了热辐射源的光谱辐射能量的标定测量。
[0052] 样品1在样品加热单元热辐射源的辐射加热下，达到稳定高温状态，样品1是否已 达到稳定高温状态可以通过光谱辐射能量测量单元7判断，若光谱辐射能量测量单元7检 测到的光谱辐射能量稳定不变，则样品1达到稳定高温状态，否则样品1没有达到稳定高温 状态。
[0053] 光谱辐射能量测量单元7测量样品1表面的有效多光谱辐射能量，有效多光谱辐 射能量包括样品表面的自发辐射能量及样品表面的反射辐射能量，光谱发射率反演单元根 据光谱辐射能量反演样品1的光谱发射率与温度，即反演公式为
[0054] IA，eff = ε、e(T)UT) + P 人，0 ⑴ I、_rce (1)
[0055] 其中λ是波长，T是样品表面温度，I 是样品表面的有效光谱辐射强度，Θ是 样品表面的光谱福射强度方向与样品表面法向方向的夹角；ε λ，θ (Τ)是样品温度为Τ时的 表面光谱发射率；Ρ λ，e (Τ)是样品表面的光谱反射率，其数值等于1- ε λ，0 (T) ;IA，b(T)是 在与样品相同温度下的黑体光谱辐射强度分布；是投射到样品表面的加热辐射源 光谱辐射强度分布。公式（1)中，忽略辐射源与样品之间的多次反射效应。
[0056] 由上所述，公式（1)中，含有两个独立未知量，温度Τ与光谱发射率ε λ，0 (Τ)。 [0057] 通过控制加热器4的功率调节加热器4的辐射强度，使加热器4具有两种辐射加 热条件，这两种辐射加热条件有相同辐射能量及不同的光谱辐射分布，光谱辐射强度分布 分别为以使得样品1在两种辐射加热条件下到达相近的温度状态。基 于公式（1)，在两种辐射加热条件下，测量样品的有效光谱辐射强度Ιλ，#:、Ιλ，# 2表示 为：
【权利要求】
1. 一种光谱发射率的稳态测试系统，其特征在于，该系统包括： 样品加热单元，用于对样品进行热辐射加热，所述样品为具有漫射表面的不透明材 料； 光谱辐射能量测量单元，用于对样品表面的多光谱有效辐射能量进行测量； 光谱发射率反演单元，用于根据多光谱有效辐射能量反演样品的光谱发射率与温度。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述样品加热单元包括：半球型密闭腔 体、加热器、气压子调节单元及样品支架； 所述半球型密闭腔体曲面上开有一窗口，所述气压调节子单元安装在所述半球型密闭 腔体底部； 所述样品支架安装有冷却回路，所述冷却回路用于冷却放置在样品支架上的参考样 品，所述参考样品表面的漫反射率为预设值，该预设值大于〇. 9。
3. 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，多个加热器均匀安装在所述半球型密闭 腔体曲面内壁上构成热辐射源。
4. 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述加热器包括钨带石英灯、红外加热 棒、电阻加热丝或石墨板。
5. 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述气压调节子单元包括真空泵或充气 排气器。
6. 根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述半球型密闭腔体曲面内壁表面均 匀喷涂吸收涂层，所述吸收涂层的吸收率大于0.9。
7. 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述半球型密闭腔体曲面内壁设置有循 环冷却水夹层。
8. -种基于权利要求1-7中任一项所述系统进行光谱发射率的稳态测试的方法，其特 征在于，该方法包括 ：
51. 将参考样品放置于样品加热单元中的样品支架上，通过样品加热单元中的热辐射 源对参考样品进行热辐射加热，同时通过样品支架安装的冷却回路对所述参考样品进行冷 却，所述参考样品表面的漫反射率为预设值，该预设值大于〇. 9 ;
52. 通过光谱辐射能量测量单元对参考样品表面的多光谱有效辐射能量进行测量，得 到所述参考样品表面的反射多光谱辐射能量；基于参考样品反射率，得到所述样品加热单 元热辐射源的多光谱投射辐射能量；
53. 通过样品加热单元中的热辐射源对样品进行热辐射加热；
54. 通过光谱辐射能量测量单元对样品表面的多光谱有效辐射能量进行测量，得到样 品表面的多光谱有效辐射能量，所述样品表面的多光谱有效辐射能量包括样品表面的自发 多光谱辐射能量及反射多光谱辐射能量；
55. 改变样品加热单元中热辐射源的功率，重复执行步骤S1-S4 ;
56. 根据参考样品表面的反射多光谱辐射能量及样品表面的多光谱有效辐射能量，反 演样品的光谱发射率与温度。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤S6包括： S61.根据参考样品表面的反射多光谱辐射能量及参考样品表面的漫反射率，计算样品 加热单元中热辐射源的多光谱投射辐射能量； S62.根据样品加热单元中热辐射源的多光谱投射辐射能量以及样品表面的多光谱有 效辐射能量，反演样品的光谱发射率与温度。
【文档编号】G01N21/47GK104048945SQ201410253718
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月9日 优先权日:2014年6月9日
【发明者】符泰然, 段明皓, 唐佳琦 申请人:清华大学