多功能光谱发射率测量装置及其测量方法与流程

本发明属于材料热物性测量装置技术领域，具体涉及一种多功能光谱发射率测量装置及其测量方法。

背景技术：

材料的光谱发射率是表征材料表面红外辐射能力大小的物理量，是一项重要的热物性参数，在辐射测温、红外制导和红外加热等领域有着重要的应用价值。近年来，随着现代科学技术的快速发展，对材料光谱发射率的测量提出了新的挑战，在很多光谱发射率应用技术领域，如光伏材料、导弹蒙皮和卫星遥感等，都需要精确的光谱发射率数据。因此，精确的测量材料表面的光谱发射率具有非常重要的实际意义。

光谱发射率是实际物体与同温度标准黑体在相同条件下的辐射功率之比。然而在实际工作中材料的热辐射特性在不同波长及不同方向上是不相同的，因此可分为半球全发射率、半球光谱发射率、法向光谱发射率和方向光谱发射率等，不同发射率所用的测量方法也不同。如基于量热法研制的发射率测量装置主要用于测量光谱全发射率，基于多波长法研制的发射率测量装置多用于测量有限不连续波长的法向光谱发射率，而利用单色仪和傅里叶红外光谱仪作为分光器件研制的发射率测量装置多用于测量连续波长的法向光谱发射率。目前大部分的测量装置只能通过一种方法来实现对某种光谱发射率的测量，功能性单一，且测量的多数为材料的法向光谱发射率，能够测量连续角度的方向光谱发射率较少。

技术实现要素：

本发明针对现有光谱发射率测量装置存在的局限性，利用椭球的几何性质设计了一种结构简单且方便使用的多功能光谱发射率测量装置及其测量方法，该测量装置不仅能够利用能量对比法实现材料法向光谱发射率和方向光谱发射率的测量，而且通过巧妙的设计，能够基于反射法原理解决样品表面精确测温的难题，并且能够同时利用反射法原理实现材料光谱发射率的测量，利用该测量装置可以实现两种不同原理测量方法的光谱发射率测量，体现了该测量装置的多功能性，对于材料光谱发射率的科学研究和实际应用具有重要意义。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，多功能光谱发射率测量装置，其特征在于包括步进电机A、步进电机B、椭圆臂A、椭圆臂B、椭圆反射镜A、椭圆反射镜B、电动可调反射镜、抛物面反射镜、平板样品加热器、标准黑体炉、探测装置和控制装置，其中平板样品加热器中样品的表面中心、标准黑体炉中标准黑体的孔径中心及电动可调反射镜的镜面中心处于同一水平面上并且它们之间的距离两两相等，标准黑体的孔径中心正上方设有与以标准黑体的孔径中心和电动可调反射镜的镜面中心为焦点的椭球体外壁一致的椭圆反射镜B，该椭圆反射镜B的镜面中心位置通过椭圆臂B与步进电机B的转轴固定连接，用于实现椭圆反射镜B以椭圆反射镜B的镜面中心为旋转点水平旋转60°以使椭圆反射镜B与以标准黑体的孔径中心和样品的表面中心为焦点的椭球体外壁一致；样品的表面中心正上方设有与以样品的表面中心和电动可调反射镜的镜面中心为焦点的椭球体外壁一致的椭圆反射镜A，该椭圆反射镜A的镜面中心位置与椭圆臂A顶部相连接，且椭圆臂A的底部与步进电机A的转轴固定连接，用于实现椭圆反射镜A的镜面中心在以样品的表面中心为圆心、以样品的表面中心与椭圆反射镜A的镜面中心之间的距离为半径形成的半圆弧线上旋转，并且该半圆弧线和样品的表面中心所在的平面与样品的表面中心和电动可调反射镜的镜面中心的连线垂直，旋转过程中椭圆反射镜A始终与以样品的表面中心和电动可调反射镜的镜面中心为焦点的椭球体外壁一致；电动可调反射镜的一侧设有用于反射电动可调反射镜反射辐射能量的抛物面反射镜，该抛物面反射镜的一侧设有用于接收抛物面反射镜反射辐射能量的探测装置，所述的平板样品加热器、标准黑体炉、探测装置、步进电机A、步进电机B和电动可调反射镜分别通过线路与控制装置电性连接。

本发明所述的多功能光谱发射率测量装置的测量方法，其特征在于具体步骤为：(1)在控制装置上设定需要加热的温度，开启平板样品加热器和标准黑体炉分别对样品和标准黑体同时进行加热并保持样品温度与标准黑体温度的同步性；(2)待温度稳定后，通过控制装置控制步进电机A带动椭圆臂A旋转，调整测量角度θ，测量角度为θ时样品的辐射能量；(3)通过控制装置调整电动可调反射镜，使样品的辐射能量或者标准黑体的辐射能量能够通过电动可调反射镜反射至抛物面反射镜，然后到达探测装置；(4)分别测得样品的光谱辐射能量值和标准黑体的辐射能量值，然后进行比值计算即可得到角度θ方向的样品方向光谱发射率。

进一步优选，所述的测量角度θ的范围为0°-85°。

本发明所述的多功能光谱发射率测量装置的测量方法，其特征在于具体步骤为：(1)在控制装置上设定需要加热的温度，开启平板样品加热器和标准黑体炉分别对样品和标准黑体同时进行加热并保持样品温度与标准黑体温度的同步性；(2)通过控制装置调整电动可调反射镜使其反射标准黑体辐射能量反射至探测装置，测量结果为P1；(3)通过控制装置调整电动可调反射镜使其反射样品的辐射能量反射至探测装置，测量结果为P2；(4)通过控制装置控制步进电机B调整标准黑体正上方的椭圆反射镜B，使椭圆反射镜B以椭圆反射镜B的镜面中心为旋转点水平旋转60°以使椭圆反射镜B与以标准黑体的孔径中心和样品的表面中心为焦点的椭球体外壁一致进而使标准黑体的辐射能量反射到样品表面，该辐射能量经样品表面反射后经椭圆反射镜A反射至电动可调反射镜，最后到达探测装置，此时测量的能量为P3；(5)根据公式P₃＝P₂+P₁γ，基尔霍夫定律γ＝1-ε，γ为样品反射率，ε为样品的方向光谱发射率，计算求得样品的方向光谱发射率；(6)由测得的样品能量和计算得到的方向光谱发射率，再根据普朗克公式即可求得样品表面的精确温度。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、实现了一个装置用两种不同的测量方法测量材料的光谱发射率，通过两种方法测得的数据进行对比，有利于提高测量数据的准确性；

2、该测量装置通过两个步进电机带动的椭圆反射镜同步调节实现了材料方向发射率的连续测量，避免了传统测量方法中旋转样品或探测器造成的光路对准困难的题；

3、该测量装置的加热设备、标准黑体和探测装置可以根据需要测量的温度范围、测量波长进行更换，提高了测量装置的灵活性和适用性；

4、该测量装置通过反射法辐射测温技术实现了样品表面精确温度的测量；

5、该测量装置测量角度范围大，能够测量材料在0°-85°角度范围的光谱发射率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中：1、步进电机A，2、步进电机B，3、椭圆臂A，4、椭圆反射镜A，5、椭圆反射镜B，6、电动可调反射镜，7、抛物面反射镜，8、平板样品加热器，9、标准黑体炉，10、探测装置，11、控制装置。

具体实施方式

结合附图详细描述本发明的具体内容。多功能光谱发射率测量装置，包括步进电机A1、步进电机B2、椭圆臂A3、椭圆臂B、椭圆反射镜A4、椭圆反射镜B5、电动可调反射镜6、抛物面反射镜7、平板样品加热器8、标准黑体炉9、探测装置10和控制装置11，其中平板样品加热器8中样品的表面中心、标准黑体炉9中标准黑体的孔径中心及电动可调反射镜6的镜面中心处于同一水平面上并且它们之间的距离两两相等，标准黑体的孔径中心正上方设有与以标准黑体的孔径中心和电动可调反射镜6的镜面中心为焦点的椭球体外壁一致的椭圆反射镜B5，该椭圆反射镜B5的镜面中心位置通过椭圆臂B与步进电机B2的转轴固定连接，用于实现椭圆反射镜B5以椭圆反射镜B5的镜面中心为旋转点水平旋转60°以使椭圆反射镜B5与以标准黑体的孔径中心和样品的表面中心为焦点的椭球体外壁一致；样品的表面中心正上方设有与以样品的表面中心和电动可调反射镜6的镜面中心为焦点的椭球体外壁一致的椭圆反射镜A4，该椭圆反射镜A4的镜面中心位置与椭圆臂A3顶部相连接，且椭圆臂A3的底部与步进电机A1的转轴固定连接，用于实现椭圆反射镜A4的镜面中心在以样品的表面中心为圆心、以样品的表面中心与椭圆反射镜A4的镜面中心之间的距离为半径形成的半圆弧线上旋转，并且该半圆弧线和样品的表面中心所在的平面与样品的表面中心和电动可调反射镜6的镜面中心的连线垂直，旋转过程中椭圆反射镜A4始终与以样品的表面中心和电动可调反射镜6的镜面中心为焦点的椭球体外壁一致；电动可调反射镜6的一侧设有用于反射电动可调反射镜6反射辐射能量的抛物面反射镜7，该抛物面反射镜7的一侧设有用于接收抛物面反射镜7反射辐射能量的探测装置10，所述的平板样品加热器8、标准黑体炉9、探测装置10、步进电机A1、步进电机B2和电动可调反射镜6分别通过线路与控制装置11电性连接。

本发明所述的多功能光谱发射率测量装置的测量方法，具体步骤为：(1)在控制装置上设定需要加热的温度，开启平板样品加热器和标准黑体炉分别对样品和标准黑体同时进行加热并保持样品温度与标准黑体温度的同步性；(2)待温度稳定后，通过控制装置控制步进电机A带动椭圆臂A旋转，调整测量角度θ，测量角度为θ时样品的辐射能量；(3)通过控制装置调整电动可调反射镜，使样品的辐射能量或者标准黑体的辐射能量能够通过电动可调反射镜反射至抛物面反射镜，然后到达探测装置；(4)分别测得样品的光谱辐射能量值和标准黑体的辐射能量值，然后进行比值计算即可得到角度θ方向的样品方向光谱发射率。

本发明所述的多功能光谱发射率测量装置的测量方法，具体步骤为：(1)在控制装置上设定需要加热的温度，开启平板样品加热器和标准黑体炉分别对样品和标准黑体同时进行加热并保持样品温度与标准黑体温度的同步性；(2)通过控制装置调整电动可调反射镜使其反射标准黑体辐射能量反射至探测装置，测量结果为P1；(3)通过控制装置调整电动可调反射镜使其反射样品的辐射能量反射至探测装置，测量结果为P2；(4)通过控制装置控制步进电机B调整标准黑体正上方的椭圆反射镜B，使椭圆反射镜B以椭圆反射镜B的镜面中心为旋转点水平旋转60°以使椭圆反射镜B与以标准黑体的孔径中心和样品的表面中心为焦点的椭球体外壁一致，进而使标准黑体的辐射能量反射到样品表面，该辐射能量经样品表面反射后经椭圆反射镜A反射至电动可调反射镜，最后到达探测装置，此时测量的能量为P3；(5)根据公式P₃＝P₂+P₁γ，基尔霍夫定律γ＝1-ε，γ为样品反射率，ε为样品的方向光谱发射率，计算求得样品的方向光谱发射率；(6)由测得的样品能量和计算得到的方向光谱发射率，再根据普朗克公式即可求得样品表面的精确温度。

当样品上方的椭圆反射镜A旋转至θ角度时，可以用向量来表示样品辐射方向。此时样品辐射向量n₁＝(2f,Rsinθ,Rcosθ)，经过归一化处理后，样品辐射向量假设样品辐射经过电动可调反射镜反射后的出射辐射向量归一化处理后n₂＝(0,1,0)，出射辐射始终延同一光路保持不变，即向量n₂不发生改变。假设电动可调反射镜的中心法向量为n₃，要想使样品辐射经过可调平面反射镜反射后沿着出射辐射射出，则可调反射镜的法向量因此当椭圆结构和出射辐射方向确定时，电动可调反射镜的法向量即电动可调反射镜方向只与测量样品辐射时的旋转角度θ有关。通关控制装置使得测量样品方向辐射时，保持椭圆反射镜A与电动可调反射镜的动态关系，即可保证测量样品辐射时出射光路的稳定不变。当测量标准黑体辐射时，因为椭圆反射镜B的位置固定不变，所以黑体辐射的方向不发生改变。为了保证光路的一致性，标准黑体辐射经电动可调反射镜反射后的出射方向与样品辐射的出射方向一致。因此测量标准黑体辐射时，电动可调平面镜的方向唯一且不发生改变，可以通过激光来验证光路确认该位置，并记录该位置。利用控制装置对电动可调反射镜的调节即可实现选择对样品辐射或标准黑体辐射进行测量。通过这种特殊的设计，本测量装置不仅可以测量特定角度下材料的方向发射率，还可以实现材料方向发射率的连续测量。

以上显示和描述了本发明的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围。