一种干扰粒子红外遮蔽率三维静态测试装置及其测试方法与流程

本发明涉及气溶胶粒子和烟幕粒子衰减特性测试技术领域，具体是一种干扰粒子红外遮蔽率三维静态测试装置及其测试方法。

背景技术：

气溶胶或烟幕粒子可以对入射的红外辐射产生吸收和散射，从而引起红外辐射传输的衰减。借助红外热像仪可以获得衰减前后目标和背景的红外辐射分布及其指定点的等效辐射温度，从而实现对干扰效果的定性和定量表征。

当前测试烟幕粒子红外遮蔽性能的常用装置是烟幕箱测试系统，由大型烟幕箱体(或烟幕室)、发烟剂、发烟器、搅拌风扇、质量浓度采样头、探测窗口、辐射源、探测器、计算机等组成。测试时，分别用红外辐射计记录无烟幕情况下辐射源的辐射测量值I₀，以及烟箱内分布烟幕粒子时辐射源的辐射测量值I。同时，由烟幕质量浓度采样装置获取烟幕质量浓度C_m。将上述测量值和烟箱光程L代入(1)式，即可求得粒子的质量消光系数α。

但是，随着烟幕干扰技术的发展，直接喷洒高消光性粒子的烟幕产生方式正逐渐取代通过发烟剂燃烧产生浓烟的传统烟幕技术。由于现有烟幕箱测试装置体积庞大，测试耗样量大，因此，无法满足实验室规模制备的少量干扰粒子消光性能的测试需求。

干扰粒子消光性能测试也可以采用静态测试法，即将一定质量M的待测干扰粒子均匀粘附在面积为S的粘性高聚物透明基底上，做成一个粒子面密度为M/S的二维平面载样板，竖直放于辐射源与接收装置之间，分别用红外辐射计获得光辐射通过空白基底板与载样板后的光强值I₀和I，用光路中粒子面密度M/S值等效表示柱密度C_mL，并代入式(1)，即可求得粒子的质量消光系数α。

这种静态二维平面测试法虽然简单、方便、耗样少，但往往不能较真实地模拟粒子在三维立体空间的分布状态，分散的均匀性不易控制，且粘性基底可粘附的粒子数量有限，面密度不能任意设置和调节，测试结果往往不能客观反映真实情况。此外，红外热像仪已成为当前侦察探测的主流设备，以其直观、精度高的优势正逐步取代红外辐射计。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种干扰粒子红外遮蔽率三维静态测试装置及其测试方法，该测试装置既具有二维平面静态测试装置结构简单、操作方便、耗样量少的优点，又可以模拟干扰粒子在烟幕箱中呈立体空间分布的特点；借助该装置和相应的测试方法，可以灵活设置待测干扰粒子的浓度和光程，使平均消光系数测试结果的误差减小。

本发明的技术方案为：

一种干扰粒子红外遮蔽率三维静态测试装置，该装置包括粒子布撒器、红外辐射源、红外热像仪、若干个支架框和若干个空白样板；所述空白样板由红外透明基底和固定其边缘的刚性圆环构成；所述粒子布撒器，用于将干扰粒子均匀分散在所述空白样板上以制成测试样板；所述支架框与所述空白样板的数量相同，所述支架框，用于在无干扰粒子遮蔽时一一对应放置所述空白样板，还用于在有干扰粒子遮蔽时一一对应放置所述测试样板，并依次垒叠构成三维立体测试结构；所述红外辐射源放置于所述三维立体测试结构的下方；所述红外热像仪放置于所述三维立体测试结构的上方，用于采集干扰粒子遮蔽前、后所述红外辐射源和其背景的等效黑体温度。

所述的干扰粒子红外遮蔽率三维静态测试装置，所述支架框为带四脚支架的正方形框，所述带四脚支架的正方形框的边长与所述刚性圆环的内径取值满足以下关系：

其中，a表示带四脚支架的正方形框的边长，d表示刚性圆环的内径。

所述的干扰粒子红外遮蔽率三维静态测试装置，所述红外辐射源为一恒温黑体或恒温热源。

所述的一种干扰粒子红外遮蔽率三维静态测试装置的测试方法，该方法包括以下步骤：

(1)将第一个空白样板放置在第一个支架框上，再将第二个支架框垒叠在第一个支架框上，然后将第二个空白样板放置在第二个支架框上，依次类推，构成无干扰粒子遮蔽的三维立体测试结构；

(2)将红外辐射源放置于第一个支架框的下方，并保持位置不变；

(3)将红外热像仪放置于最后一个支架框的上方，调节红外热像仪的位置，使得红外辐射源和其背景处于红外热像仪的视场内；

(4)从红外热像仪上读取红外辐射源和其背景的等效黑体温度；

(5)变换红外辐射源的位置若干次，重复步骤(3)和(4)，并计算得到红外辐射源和其背景的平均等效黑体温度；

(6)将无干扰粒子遮蔽的三维立体测试结构拆开，还原成独立的空白样板和支架框；

(7)称取一定质量的干扰粒子，装入粒子布撒器；

(8)借助粒子布撒器的机械振动使干扰粒子自由下落，均匀分散在一个空白样板上，制成一个测试样板；

(9)重复步骤(7)和(8)，依次制成若干个测试样板；

(10)将第一个测试样板放置在第一个支架框上，再将第二个支架框垒叠在第一个支架框上，然后将第二个测试样板放置在第二个支架框上，依次类推，构成有干扰粒子遮蔽的三维立体测试结构；

(11)重复步骤(2)～(5)；

(12)采用以下公式，计算得到干扰粒子的红外遮蔽率：

其中，η表示干扰粒子的红外遮蔽率，T_O、T′_O分别表示干扰粒子遮蔽前、后红外辐射源上坐标为(x，y)的点在红外热像仪上的平均等效黑体温度，T_B、T′_B分别表示干扰粒子遮蔽前、后红外辐射源背景上坐标为(x′，y′)的点在红外热像仪上的平均等效黑体温度，分别表示具有相应平均等效黑体温度的目标和背景在7.5～13μm波段的辐射出射度。

本发明的有益效果为：

由上述技术方案可知，本发明通过采用支架框将测试样板垒叠的方式，实现了干扰粒子在一定光程的立体空间内均匀分布，可以在简易测试条件下较好地模拟干扰粒子在三维空间的分布状态，既克服了使用二维静态测试装置时有限量粒子只能分布在二维平面、测试误差大的不足，又克服了传统烟幕箱实验系统体积庞大、耗费样品量大、操作繁琐的弊端，使粒子红外遮蔽率的测试变得简便，精确度更高。

附图说明

图1是本发明的装置各部件结构示意图；

图2是本发明的装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

如图1、图2所示，一种干扰粒子红外遮蔽率三维静态测试装置，包括粒子布撒器1、若干个空白样板2、若干个尺寸相同、带四脚支架的正方形框4、红外辐射源5和红外热像仪6。

其中，带四脚支架的正方形框4的边长为a、四脚支架高度为h，材质为高分子或金属均可，可以垒叠。

空白样板2由红外透明基底和固定其边缘的刚性圆环构成，红外透明基底是对红外辐射高透过的高聚物薄膜，以有胶粘性为佳。刚性圆环的材质可以为高分子或金属，其内径d取值满足(2)式：

粒子布撒器1为底部均匀打孔的容器，孔的形状取决于待测干扰粒子的形状，孔的特征尺寸略大于待测干扰粒子的特征尺寸。借助粒子布撒器1的机械振动使干扰粒子自由下落，均匀分散在一个空白样板2上，即制成一个测试样板3。

红外辐射源5为一恒温目标，可以是恒温黑体或恒温热源。

红外热像仪6应能显示热像中选定点的辐射温度。

一种粒子红外遮蔽率三维静态测试装置的测试方法，包括以下步骤：

S1、将第一个空白样板2放置在第一个带四脚支架的正方形框4上，再将第二个带四脚支架的正方形框4四脚对齐地垒叠在第一个带四脚支架的正方形框4上，然后将第二个空白样板2放置在第二个带四脚支架的正方形框4上，按照上述操作，根据需要依次垒叠，形成一个无干扰粒子遮蔽的三维立体测试结构。

S2、将红外辐射源5放置于第一个带四脚支架的正方形框4下方的测试光路中，并保持位置不变。

S3、使用三脚架将红外热像仪6放置于最后一个带四脚支架的正方形框4的上方，调节红外热像仪6的位置，使得红外辐射源5和其背景处于红外热像仪6的视场内。

S4、从红外热像仪6上读取红外辐射源5和其背景的等效黑体温度。

S5、为提高测试精度，变换红外辐射源5的位置若干次，重复步骤S3和S4，并计算得到红外辐射源5和其背景的平均等效黑体温度；

S6、将无干扰粒子遮蔽的三维立体测试结构拆开，还原成独立的空白样板2和带四脚支架的正方形框4。

S7、称取质量为M±0.1mg的干扰粒子，装入粒子布撒器1。

S8、借助粒子布撒器1的机械振动使干扰粒子自由下落，均匀分散在一个空白样板2上，制成一个干扰粒子分布面密度为4M/πd²的测试样板3；

S9、重复步骤S7和S8，依次制成若干个测试样板3；

S10、将第一个测试样板3放置在第一个带四脚支架的正方形框4上，再将第二个带四脚支架的正方形框4垒叠在第一个带四脚支架的正方形框4上，然后将第二个测试样板3放置在第二个带四脚支架的正方形框4上，按照上述操作，根据需要依次垒叠，形成一个有干扰粒子遮蔽的三维立体测试结构。

S11、重复步骤S2～S5；

S12、采用以下公式(3)，计算得到干扰粒子的红外遮蔽率：

式中，η表示干扰粒子的红外遮蔽率，T_O、T′_O分别表示干扰粒子遮蔽前、后红外辐射源5上坐标为(x，y)的点在红外热像仪6上的平均等效黑体温度，T_B、T′_B分别表示干扰粒子遮蔽前、后红外辐射源5的背景上坐标为(x′，y′)的点在红外热像仪6上的平均等效黑体温度，分别表示相应平均等效黑体温度的目标和背景在7.5～13μm波段的辐射出射度。

实施例1

称取200±0.1mg干扰粒子A，装入粒子布撒器1中；通过粒子布撒器1的机械振动使干扰粒子A自由下落并均匀分散在五个直径为25cm的空白样板2上，制成具有4.0746g/m²干扰粒子面密度分布的测试样板3；将测试样板3放置在带四脚支架的正方形框4上。

重复制出第二至第五个测试样板3，依次将第二个带四脚支架的正方形框4与第一个带四脚支架的正方形框4四脚对齐，垒叠在第一个带四脚支架的正方形框4上，再将第二个测试样板3放置在第二个带四脚支架的正方形框4上，重复上述操作，形成一个如图2所示的三维立体测试结构。

将红外辐射源5放置在第一个带四脚支架的正方形框4下方的测试光路中；使用三脚架固定红外热像仪6，使红外辐射源5及其背景在红外热像仪6的视场内。

分别读取放置空白样板2和测试样板3时的红外辐射源5及其背景的温度。变换红外辐射源5位置三次，通过多次测试求平均的方法得到对应温度的平均值，最后由公式(3)求出干扰粒子A的红外遮蔽率，结果见表1。

实施例2

称取200±0.1mg干扰粒子B，重复实施例1中的测试和计算步骤，得到干扰粒子B的红外遮蔽率测试结果，见表1。

实施例3

称取200±0.1mg干扰粒子C，重复实施例1中的测试和计算步骤，得到干扰粒子C的红外遮蔽率测试结果，见表1。

表1各实施例的干扰粒子红外遮蔽率测试结果

^＊注：放置空白样板时，T_O＝50.6℃，T_B＝19.1℃，由上述可知，本发明通过设计这种层叠式三维静态测试装置，实现了干扰粒子的三维空间分布和遮蔽率的静态测试。本发明既具备平面静态测试法简单易行、耗样量少的优点，又可以模拟干扰粒子在烟幕箱动态测试系统中三维立体分布情况，能够尽可能地避免二维静态测试因粒子分布状态差异给测试结果带来的误差，所得测试结果可以较客观地反映粒子的真实遮蔽性能。

同时，本发明既解决了二维静态测试装置对基底粘附性的要求和干扰粒子面密度受干扰粒子粘附量的限制，也解决了少量试样在大型烟幕箱中质量浓度过低、测试结果不准的问题。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。