专利名称：高温粒子红外光谱辐射特性的测量装置及测量方法
技术领域：
本发明涉及一种弥散颗粒红外光谱辐射特性的测量装置及测量方法。
背景技术：
弥散颗粒状物质涉及到化工、冶金、动力、建筑、医药、生物、食品、航天、军事及大气科学等多个领域。据统计，工业中有50%以上的产品与中间产品呈粒子状，这些粒子在加热、冷却、干燥及换热等过程中，参与辐射换热。其典型应用包括含碳黑及飞灰的燃烧火焰、含凝相金属氧化物粒子射流、固体火箭及导弹尾喷焰、含微粒半透明感光材料、含微粒红外隐身涂料、含纳米粒子半导体材料等。同时，在高温燃烧系统中甚至在常温状态下，超细的基本粒子(如煤灰粒子、火箭尾喷焰及超燃发动机喷焰中的金属粒子等)会聚集成形状、大小各异的聚集态团簇，其光谱辐射特性是设计固体火箭发动机比冲、烧蚀材料及羽焰隐身等关键特性的重要参数，目前主要是通过实际发动机试车来测量，需要投入大量的人力物力。针对粒子及粒子系的辐射特性，英国、美国、日本、原苏联做过很多研究，其研究方法有两种(1)基于电磁理论，先确定粒子的单色复折射率，由此再加上粒子浓度、粒径分布、温度等参数，用Mie氏理论算出粒子系的散射、衰减及吸收系数；(2)基于实验，采用实际发动机喷焰或缩比模型喷焰，在现场或实验室测量含粒子气流的吸收或辐射，根据吸收或辐射量确定含粒子气流的有效黑度或有效衰减系数。粒子的光学常数(复折射率)属基本物性参数，与其组份、温度、表面状况有关。由于粒子的比表面积比其块状物质大得多，且高温粒子易聚集成团，导致粒子表面状况复杂， 因此，粒子的光学常数并不等同于构成粒子材料的光学常数。而通过粒子光谱复折射率数据，研究粒子及聚集粒子系的辐射特性，不仅对辐射物性的研究具有较高的理论意义，而且具有广泛的实际应用价值。但目前与动力有关的煤、灰、碳黑粒子辐射特性的研究较多，与其它领域(如火箭发动机)有关的金属与金属氧化物粒子的研究较少，尤其是在高温下，这类粒子(连续谱带)复折射率公开发表的数据很难找到。由于粒子的尺寸太小，单个粒子的热物性测量很难实现，国际上常用的方法是将种粒子制成薄膜或悬浮液，再进行测量，这样的测试结果与粒子在空中悬浮还有较大的差距。同时，国外研究的气体或悬浮热物性测量技术，考虑到温度测量、试样加热等实际问题， 试样的尺寸不可能做得很小，所以还不是真正的粒子辐射特性。
发明内容
本发明是为了解决现有技术无法测量高温连续光谱范围内自然状态粒子辐射特性的问题，从而提供一种高温粒子红外光谱辐射特性的测量装置及测量方法。高温粒子红外光谱辐射特性的测量装置，它包括黑体辐射源、傅立叶光谱分析仪、 辐射温度计、CCD摄像头和高温加热及温度控制系统；高温加热及温度控制系统包括加热炉和温度控制单元，温度控制单元包括温度采集装置和加热器；
加热炉包括预热室和测量室两个部分，预热室包括筛分电机和筛分装置，所述筛分电机的输出轴与筛分装置的输入轴连接；测量室包括一号陶瓷内胆、二号陶瓷内胆、空气绝热层和硅酸铝棉绝热层、黑体辐射源输入通道、傅立叶红处光谱仪信号采集通道、辐射温度计温度采集通道和CCD摄像头监测通道，所述二号陶瓷内胆套在一号陶瓷内胆外部，所述一号陶瓷内胆的外壁与二号陶瓷内胆的内壁之间设置有空气隔热层，二号陶瓷内胆的外壁套装有硅酸铝棉绝热层；一号陶瓷内胆、二号陶瓷内胆、空气绝热层和硅酸铝棉绝热层为同轴设置；一号陶瓷内胆的内腔为悬浮粒子观察室；黑体辐射源输入通道、傅立叶红处光谱仪信号采集通道、辐射温度计温度采集通道和CCD摄像头监测通道均贯穿一号陶瓷内胆、二号陶瓷内胆、空气绝热层和硅酸铝棉绝热层，黑体辐射源输入通道、傅立叶红处光谱仪信号采集通道、辐射温度计温度采集通道和 CXD摄像头监测通道位于同一水平面上；黑体辐射源输入通道的轴线与傅立叶红外光谱仪信号采集通道的轴线重合，且与一号陶瓷内胆的轴线相交；辐射温度计温度采集通道的轴线和CXD摄像头监测通道的轴线重合，且与一号陶瓷内胆的轴线相交；筛分装置的粒子输出端穿过上壳体上的通孔与一号陶瓷内胆的入口连通，且筛分装置的粒子输出端与一号陶瓷内胆入口的边缘紧密连接；黑体辐射源的输出的信号通过黑体辐射源输入通道进入悬浮粒子观察室；傅立叶红处光谱仪通过傅立叶红处光谱仪信号采集通道采集悬浮粒子观察室内粒子的光谱；辐射温度计通过辐射温度计温度采集通道采集悬浮粒子观察室内的温度；CXD摄像头通过CCD 摄像头监测通道拍摄观察室内粒子运动图像；温度采集装置的末端固定在上壳体的底部，温度采集装置的探测端伸入悬浮粒子观察室的内部；加热器的末端固定在上壳体的底部，加热器的加热端伸入悬浮粒子观察室的内部；循环水管路设置在硅酸铝棉绝热层外部，并固定在上壳体的底面上；一号陶瓷内胆、二号陶瓷内胆、空气绝热层和硅酸铝棉绝热层的底部固定在下壳体上；所述下壳体的中心位置设置有进气孔，所述进气孔处设置有进气阀。它还包括一对辅助散射光分析通道，每个辅助散射光分析通道贯穿一号陶瓷内胆、二号陶瓷内胆、空气绝热层和硅酸铝棉绝热层，这对辅助散射光分析通道与黑体辐射源输入通道位于同一水平面上；所述这对辅助散射光分析通道的轴线重合，且与一号陶瓷内胆的轴线相交。它还包括升降装置，所述升降装置用于带动下壳体做升降运动。温度采集装置为热电耦；加热器为U型硅钼加热器。加热器的数量为四个，所述四个加热器的末端均固定在上壳体的底部，所述四个加热器的加热端伸入悬浮粒子观察室的内部，所述四个加热器均布在悬浮粒子观察室中。上壳体上开有N个散热孔，所述N为正整数。基于上述装置的高温粒子红外光谱辐射特性的测量方法，它由以下步骤实现步骤一、启动黑体辐射源，并对光路进行准直调节；测量黑体辐射源在两个不同温度下的光谱辐射能量分布，并根据去除背景噪声的环境辐射补偿算法方法确定傅立叶红外光谱仪的输入信号与输出信号间的响应函数；步骤二、将黑体辐射源加热至预定待测温度，待黑体辐射源温度稳定后，采用傅立叶红外光谱仪采集预定待测温度下黑体辐射源的辐射能量的光谱数据；步骤三、选取质量为M的待测粒子，将所述待测粒子注入筛分装置中，采用加热器将待测粒进行加热至待测温度，并使粒子保持在待测温度下均勻受热40分钟后，采用傅立叶红外光谱仪测量待测粒子进行粒子系等效光谱透射比；步骤四、向悬浮粒子观察室充入氮气，待气流稳定后，将筛分装置中的粒子注入悬浮粒子观察室；通过调节筛分装置的筛分功率和进气阀控制粒子的悬浮状态至准稳定状态；然后，通过傅立叶红外光谱仪测量粒子系的总光谱辐射能量；步骤五、采用加热器将悬浮粒子观察室加热至待测温度，选取质量为M的常温冷粒子注入悬浮粒子观察室内，并调节筛分装置的筛分功率和进气阀控制粒子的悬浮状态至准稳定状态，然后测量悬浮粒子观察室内壁处的黑体辐射源输入通道入口到达悬浮粒子观察室内壁处的傅立叶红处光谱仪信号采集通道入口处的辐射能量，并结合步骤二获得的待测粒子进行粒子系等效光谱透射比、步骤三获得的待测粒子进行粒子系等效光谱透射比、 步骤四获得的粒子系的总光谱辐射能量采用步骤一中所述的傅立叶红外光谱仪的输入信号与输出信号间的响应函数，获得高温粒子红外光谱辐射值，实现高温粒子红外光谱辐射特性的测量。步骤一中所述测量黑体辐射源在两个不同温度下的光谱辐射能量分布，并根据去除背景噪声的环境辐射补偿算法方法确定傅立叶红外光谱仪的输入信号与输出信号间的响应函数，具体方法为傅立叶红外光谱仪在波长λ处的辐射信号测量输出表达式为
权利要求
1.高温粒子红外光谱辐射特性的测量装置，其特征是它包括黑体辐射源(1)、傅立叶光谱分析仪O)、辐射温度计(3)、CCD摄像头(4)和高温加热及温度控制系统；高温加热及温度控制系统包括加热炉和温度控制单元，温度控制单元包括温度采集装置(18)和加热器(19)；加热炉包括预热室和测量室两个部分，预热室包括筛分电机(1 和筛分装置(16)，所述筛分电机(1 的输出轴与筛分装置(16)的输入轴连接；测量室包括一号陶瓷内胆(11)、二号陶瓷内胆(12)、空气绝热层(1 和硅酸铝棉绝热层(14)、黑体辐射源输入通道(21)、傅立叶红处光谱仪信号采集通道(22)、辐射温度计温度采集通道和CCD摄像头监测通道(M)，所述二号陶瓷内胆(1 套在一号陶瓷内胆(U)外部，所述一号陶瓷内胆(11)的外壁与二号陶瓷内胆(12)的内壁之间设置有空气隔热层(13)，二号陶瓷内胆(12)的外壁套装有硅酸铝棉绝热层(14)；一号陶瓷内胆(11)、 二号陶瓷内胆(12)、空气绝热层(1 和硅酸铝棉绝热层(14)为同轴设置；一号陶瓷内胆 (11)的内腔为悬浮粒子观察室；黑体辐射源输入通道(21)、傅立叶红处光谱仪信号采集通道(22)、辐射温度计温度采集通道03)和C⑶摄像头监测通道04)均贯穿一号陶瓷内胆(11)、二号陶瓷内胆(12)、 空气绝热层(1 和硅酸铝棉绝热层(14)，黑体辐射源输入通道(21)、傅立叶红处光谱仪信号采集通道(22)、辐射温度计温度采集通道和C⑶摄像头监测通道04)位于同一水平面上；黑体辐射源输入通道的轴线与傅立叶红外光谱仪信号采集通道0 的轴线重合，且与一号陶瓷内胆(11)的轴线相交；辐射温度计温度采集通道的轴线和CCD摄像头监测通道04)的轴线重合，且与一号陶瓷内胆(11)的轴线相交；筛分装置(16)的粒子输出端穿过上壳体(10)上的通孔与一号陶瓷内胆(11)的入口连通，且筛分装置(16)的粒子输出端与一号陶瓷内胆(11)入口的边缘紧密连接；黑体辐射源(1)的输出的信号通过黑体辐射源输入通道进入悬浮粒子观察室 ’傅立叶红处光谱仪( 通过傅立叶红处光谱仪信号采集通道0 采集悬浮粒子观察室内粒子的光谱；辐射温度计( 通过辐射温度计温度采集通道采集悬浮粒子观察室内的温度；CXD摄像头(4)通过C⑶摄像头监测通道04)拍摄观察室内粒子运动图像；温度采集装置(18)的末端固定在上壳体(10)的底部，温度采集装置(18)的探测端伸入悬浮粒子观察室的内部；加热器(19)的末端固定在上壳体(10)的底部，加热器(19)的加热端伸入悬浮粒子观察室的内部；循环水管路(17)设置在硅酸铝棉绝热层(14)外部，并固定在上壳体(10)的底面上； 一号陶瓷内胆(11)、二号陶瓷内胆(12)、空气绝热层(1 和硅酸铝棉绝热层(14)的底部固定在下壳体OO)上；所述下壳体OO)的中心位置设置有进气孔，所述进气孔处设置有进气阀(26) 0
2.根据权利要求1所述的高温粒子红外光谱辐射特性的测量装置，其特征在于它还包括一对辅助散射光分析通道(25)，每个辅助散射光分析通道0 贯穿一号陶瓷内胆(11)、 二号陶瓷内胆(12)、空气绝热层(1 和硅酸铝棉绝热层(14)，这对辅助散射光分析通道 (25)与黑体辐射源输入通道位于同一水平面上；所述这对辅助散射光分析通道05) 的轴线重合，且与一号陶瓷内胆(11)的轴线相交。
3.根据权利要求1所述的高温粒子红外光谱辐射特性的测量装置，其特征在于它还包括升降装置(27)，所述升降装置(XT)用于带动下壳体00)做升降运动。
4.根据权利要求1所述的高温粒子红外光谱辐射特性的测量装置，其特征在于温度采集装置(18)为热电耦；加热器(19)为U型硅钼加热器。
5.根据权利要求1所述的高温粒子红外光谱辐射特性的测量装置，其特征在于加热器 (19)的数量为四个，所述四个加热器的末端均固定在上壳体(10)的底部，所述四个加热器 (19)的加热端伸入悬浮粒子观察室的内部，所述四个加热器(19)均布在悬浮粒子观察室中。
6.根据权利要求1所述的高温粒子红外光谱辐射特性的测量装置，其特征在于上壳体 (10)上开有N个散热孔( )，所述N为正整数。
7.基于权利要求1所述的高温粒子红外光谱辐射特性的测量方法，其特征是它由以下步骤实现步骤一、启动黑体辐射源(1)，并对光路进行准直调节；测量黑体辐射源(1)在两个不同温度下的光谱辐射能量分布，并根据去除背景噪声的环境辐射补偿算法方法确定傅立叶红外光谱仪O)的输入信号与输出信号间的响应函数；步骤二、将黑体辐射源(1)加热至预定待测温度，待黑体辐射源(1)温度稳定后，采用傅立叶红外光谱仪( 采集预定待测温度下黑体辐射源(1)的辐射能量的光谱数据；步骤三、选取质量为M的待测粒子，将所述待测粒子注入筛分装置(16)中，采用加热器 (19)将待测粒进行加热至待测温度，并使粒子保持在待测温度下均勻受热40分钟后，采用傅立叶红外光谱仪(2)测量待测粒子进行粒子系等效光谱透射比；步骤四、向悬浮粒子观察室充入氮气，待气流稳定后，将筛分装置(16)中的粒子注入悬浮粒子观察室；通过调节筛分装置(16)的筛分功率和进气阀06)控制粒子的悬浮状态至准稳定状态；然后，通过傅立叶红外光谱仪( 测量粒子系的总光谱辐射能量；步骤五、采用加热器(19)将悬浮粒子观察室加热至待测温度，选取质量为M的常温冷粒子注入悬浮粒子观察室内，并调节筛分装置(16)的筛分功率和进气阀06)控制粒子的悬浮状态至准稳定状态，然后测量悬浮粒子观察室内壁处的黑体辐射源输入通道入口到达悬浮粒子观察室内壁处的傅立叶红处光谱仪信号采集通道0 入口处的辐射能量，并结合步骤二获得的待测粒子进行粒子系等效光谱透射比、步骤三获得的待测粒子进行粒子系等效光谱透射比、步骤四获得的粒子系的总光谱辐射能量采用步骤一中所述的傅立叶红外光谱仪O)的输入信号与输出信号间的响应函数，获得高温粒子红外光谱辐射值，实现高温粒子红外光谱辐射特性的测量。
8.根据权利要求1所述的高温粒子红外光谱辐射特性的测量方法，其特征在于步骤一中所述测量黑体辐射源(1)在两个不同温度下的光谱辐射能量分布，并根据去除背景噪声的环境辐射补偿算法方法确定傅立叶红外光谱仪O)的输入信号与输出信号间的响应函数，具体方法为傅立叶红外光谱仪( 在波长λ处的辐射信号测量输出表达式为S(A) =RU) [G1IUJHG2I0U, T0)](1)式中，G1和(；2分别为试样和测试背景的几何因子，由光路系统的几何关系决定；RU) 为傅立叶红外光谱仪O)的响应函数；Ι(λ，Τ)为试样的光谱辐射强度；IJX，T0)为测试背景的辐射强度；将黑体辐射源(1)分别设定为两个不同的温度T1和T2，则傅立叶红外光谱仪O)的相应输出SS1U)和S2U)，根据式(1)获得
9.根据权利要求1所述的高温粒子红外光谱辐射特性的测量方法，其特征在于待测粒子的粒径为1-500 μ m。
10.根据权利要求1所述的高温粒子红外光谱辐射特性的测量方法，其特征在于待测粒子的加热范围是室温 1500K。
全文摘要
高温粒子红外光谱辐射特性的测量装置及测量方法，涉及一种弥散颗粒红外光谱辐射特性的测量装置及测量方法，它解决了现有技术无法测量高温连续光谱范围内自然状态粒子辐射特性的问题。本发明采用环境补偿算法，实现了对自然状态下高温粒子光谱等效透射比的测量，确定了对连续光谱范围内高温粒子辐射特性测量的适用性，并为进一步反演高温粒子复折射率的研究提供可靠的实验数据和实验装置，本发明的测量不确定度小于2％。本发明可以广泛应用于化工、冶金、动力、建筑、医药、生物、食品、航天、军事及大气科学等领域。
文档编号G01J3/28GK102279049SQ20111019745
公开日2011年12月14日 申请日期2011年7月14日 优先权日2011年7月14日
发明者张彪, 戴景民, 谈和平, 阮立明, 齐宏 申请人:哈尔滨工业大学