技术领域本发明涉及材料热物性参数技术领域，特别涉及一种基于三离轴抛物面镜和双参考黑体的发射率测量装置，适用于测量金属、非金属材料表面法向光谱发射率。
背景技术：
法向光谱发射率是材料的重要热物性参数之一，表征了材料表面光谱辐射能量辐射能力。工业应用和科学研究中，辐射测温的方法得到了越发广泛的应用，为了准确的测量材料表面的温度，必须要知道被测表面发射率。此外，在武器装备研制中，评价材料隐身性能的重要指标之一便是其光谱发射率特性。材料光谱发射率是辐射测温、辐射换热分析、材料隐身性能评价的重要基础物性数据。然而，光谱发射率与材料的组分、温度、波长范围、表面状态等诸多因素复杂相关，对于特定的测量实例，已有文献中的相关光谱发射率数据并不能完全满足应用需求。国内外从事热测量科学的学者对材料法向光谱发射率的相关测量技术开展了许多研究工作。根据测试原理的不同，发射率测量方法可分为量热法、反射法、能量法等等。其中采用傅立叶光谱法进行发射率测量的研究工作较为典型，例如：1)2003年，日本Yajima等人采用分离黑体法建立了一套高温下可同时测量全光谱发射率和光学常数的测试系统，对钼和氧化锆试样在光谱范围2μm～10μm、温度范围900K～1400K条件下进行了试验；2)2004年，美国国家标准技术研究院(NIST)利用一系列的黑体辐射源建立了一种新的材料光谱发射率测量系统，测量温度范围为600K～1400K，波长范围为1μm～20μm，主要对不透明材料进行测量。3)2008年，德国联邦物理技术研究院(PTB)研制出一种用于工业校准的发射率测量装置，该装置是通过高质量黑体与样品的辐射进行比较来测量材料光谱发射率，其中考虑了环境辐射与光谱仪本身固有辐射。测量温度范围为80℃～400℃，波长范围为4μm～40μm。)2008年，中国计量科学研究院(NIM)与天津大学合作，研制了基于光栅单色仪的光谱发射率测量装置，利用该装置可以实现在473K～1000K，2μm～15μm范围内定向光谱发射率的测量。目前材料光谱发射率测量系统有很多，特别是基于傅里叶光谱仪的光谱发射率测量系统成为发射率测量的主流发展趋势。然而，目前的材料光谱发射率测量系统大都测量效率低下，且受环境变化及仪器短期漂移影响较大，因此实际测量效果并不理想。针对以上问题，发明了一种基于三离轴抛物面镜和双参考黑体的发射率测量装置，具有一定的实际意义。
技术实现要素：
本发明的目的是提出一种基于三离轴抛物面镜和双参考黑体的发射率测量装置，实现1～14μm光谱范围、50～800℃温度范围的材料法向光谱发射率测量。本发明是通过以下技术方案实现的。本发明提出的一种基于三离轴抛物面镜和双参考黑体的发射率测量装置，包括：光谱仪、高温黑体加热装置、样品加热装置、高温参考黑体、低温参考黑体、水平位移平台、电控转台、位移控制系统、计算机、光阑、低温黑体加热装置、离轴剖物面镜Ⅰ、离轴剖物面镜II和离轴剖物面镜III。所述光谱仪将接收到的光信号转变为电信号，并发送给计算机。所述光谱仪为傅里叶变换红外光谱仪。所述高温黑体加热装置固定安装在水平位移平台上，其内部安装高温参考黑体，高温参考黑体用于提供高温参考信号。高温黑体加热装置的温度范围为50℃～800℃。所述样品加热装置固定安装在水平位移平台上，其内部安装待测样品。所述样品加热装置的温度范围为50℃～800℃。所述水平位移平台固定在水平面上，其功能是在位移控制系统的控制下做水平运动。所述电控转台固定在水平面上，电控转台的轴线与水平面平行；电控转台上安装离轴剖物面镜Ⅰ；电控转台为离轴剖物面镜Ⅰ提供水平移动、竖直移动和旋转功能。离轴剖物面镜Ⅰ将接收到的光信号反射到离轴剖物面镜II；离轴剖物面镜II的反射光线经光阑后，到达离轴剖物面镜III。离轴剖物面镜III将接收到的光信号反射到光谱仪。所述光阑放置在离轴剖物面镜II和离轴剖物面镜III之间，起到限制视场和消除杂散光的作用。所述离轴剖物面镜Ⅰ、离轴剖物面镜II和离轴剖物面镜III均为90°离轴抛物面镜。所述低温黑体加热装置固定在水平面上，并且低温黑体加热装置与高温黑体加热装置相对于电控转台的轴线对称。低温黑体加热装置其内部安装低温参考黑体，低温参考黑体用于提供低温参考信号。所述低温黑体加热装置的温度范围为50℃～800℃。所述计算机分别与光谱仪和位移控制系统连接；计算机的作用是：①接收光谱仪发送来的电信号，计算待测样品的光谱发射率。②给位移控制系统提供位移控制信号。所述位移控制系统分别与计算机、水平位移平台和电控转台连接。位移控制系统接收计算机发送来的位移控制信号，控制水平位移平台和电控转台运动。所述发射率测量装置的工作过程为：步骤1：将所述发射率测量装置开机并预热。步骤2：将待测样品安装在样品加热装置内；计算机通过位移控制系统控制水平位移平台和电控转台位移，使离轴剖物面镜Ⅰ对准待测样品。设置光谱仪的接收信号的波长，用符号λ表示，λ∈[1,14]，单位：μm；步骤3：将待测样品加热到Ts，Ts∈[50,800]，单位：℃。待温度稳定后，光谱仪测量得到待测样品在Ts温度下的测量值，并将其发送给计算机。步骤4：计算机通过位移控制系统控制水平位移平台和电控转台位移，使离轴剖物面镜Ⅰ对准高温参考黑体。步骤5：将高温参考黑体加热到T2，T2∈[50,800]，单位：℃。待温度稳定后，光谱仪测量得到高温参考黑体在T2温度下的测量值，并将其发送给计算机。步骤6：计算机通过位移控制系统控制电控转台旋转及水平和竖直方向的运动，使轴剖物面镜Ⅰ对准低温参考黑体。步骤7：将低温参考黑体加热到T1，T1∈[50,800]，单位：℃；并且T1<T2。待温度稳定后，光谱仪获得低温参考黑体在T1温度下的测量值，并将其发送给计算机。步骤8：计算机根据接收到的待测样品在Ts温度下的测量值、高温参考黑体在T2温度下的测量值以及低温参考黑体在T1温度下的测量值，计算得到待测样品的光谱发射率。所述计算机计算得到待测样品的光谱发射率的方法为：步骤8.1：建立关系式，如公式(1)。Vb(λ,T1)=R(λ)Lb(λ,T1)+S(λ)Vb(λ,T2)=R(λ)Lb(λ,T2)+S(λ)---(1)]]>其中，λ为波长，λ∈[1,14]，单位：μm；T1为低温参考黑体温度；T2为高温参考黑体温度；Lb(λ，T1)为低温参考黑体在T1温度下的光谱辐射亮度，为已知量；Lb(λ，T2)为高温参考黑体在T2温度下的光谱辐射亮度，为已知量；Vb(λ，T1)为计算机接收到的低温参考黑体在T1温度下的测量值；Vb(λ，T2)为计算机接收到的高温参考黑体在T2温度下的测量值；R(λ)为光谱仪的光谱响应函数；S(λ)为光谱仪背景函数。步骤8.2：通过解公式(1)所述方程，计算得到光谱响应函数R(λ)和光谱仪背景函数S(λ)。步骤8.3：通过公式(2)计算得到待测样品在Ts温度下的光谱辐射亮度。Vs(λ，Ts)＝R(λ)Ls(λ，Ts)+S(λ)(2)其中，Ts为待测样品温度；Vs(λ，Ts)为计算机接收到的待测样品在Ts温度下的测量值；Ls(λ，Ts)为待测样品在Ts温度下的光谱辐射亮度。步骤8.4：通过公式(3)计算得到待测样品的光谱发射率。Ls(λ，Ts)＝εsLb(λ，Ts)+(1-εs)L(λ，Te)(3)其中，Ls(λ，Ts)为待测样品在温度Ts时的光谱辐射亮度；Lb(λ，Ts)为通用黑体在温度Ts时的光谱辐射亮度，为已知量；Te为环境温度，Te∈[-60,60]，单位：℃；L(λ，Te)为环境光谱辐射亮度，为已知量。有益效果本发明提出的一种基于三离轴抛物面镜和双参考黑体的发射率测量装置与已有技术相比较，具有以下优点：1)采用双参考黑体可以实现不同温度下的黑体的同步测量，有效消除了系统的短期漂移对发射率测量的影响，从而减小避免了环境辐射等因素的变化会对测量结果准确性的影响，提高了测量的不确定度；2)通过精密离轴抛物面反射镜的应用，消除了球面光学系统中存在的球差，在提升辐射能量集中程度的同时有效地改善了光学系统的整体像质；3)采用的三离轴抛物面镜系统可以在光路中产生一确定的中间像面，这就为后期通过设置孔径光阑以限制系统视场或消除杂散辐射等光学性能优化操作带来了极大的便利。4)实现了光谱范围1μm～14μm，温度范围50℃～800℃的法向光谱发射率的测量，系统适用于金属、非金属、导体、非导体等各种材料光谱发射率测量。附图说明图1是本发明具体实施方式中基于三离轴抛物面镜和双参考黑体的发射率测量装置的结构示意图；其中，1-光谱仪2-高温黑体加热装置、3-样品加热装置、4-高温参考黑体、5-低温参考黑体、6-水平位移平台、7-电控转台、8-位移控制系统、9-计算机、10-光阑、11-低温黑体加热装置、12-离轴剖物面镜Ⅰ、13-离轴剖物面镜II、14-离轴剖物面镜III、15-待测样品。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。本实施例中的基于三离轴抛物面镜和双参考黑体的发射率测量装置，如图1所示，包括：光谱仪1、高温黑体加热装置2、样品加热装置3、高温参考黑体4、低温参考黑体5、水平位移平台6、电控转台7、位移控制系统8、计算机9、光阑10、低温黑体加热装置11、离轴剖物面镜Ⅰ12、离轴剖物面镜II13和离轴剖物面镜III14。光谱仪1将接收到的光信号转变为电信号，并发送给计算机9。光谱仪1为傅里叶变换红外光谱仪。高温黑体加热装置2固定安装在水平位移平台6上，其内部安装高温参考黑体4，高温参考黑体4用于提供高温参考信号。高温黑体加热装置2的温度范围为50℃～800℃。样品加热装置3固定安装在水平位移平台6上，其内部安装待测样品15。样品加热装置3的温度范围为50℃～800℃。水平位移平台6固定在水平面上，其功能是在位移控制系统8的控制下做水平运动。电控转台7固定在水平面上，电控转台7的轴线与水平面平行；电控转台7上安装离轴剖物面镜Ⅰ12；电控转台7为离轴剖物面镜Ⅰ12提供水平移动、竖直移动和旋转功能。离轴剖物面镜II13与离轴剖物面镜Ⅰ12同轴；离轴剖物面镜Ⅰ12将接收到的光信号反射到离轴剖物面镜II13；离轴剖物面镜II13的反射光线经光阑10后，到达离轴剖物面镜III14。离轴剖物面镜III14将接收到的光信号反射到光谱仪1。光阑10放置在离轴剖物面镜II13和离轴剖物面镜III14之间，起到限制视场和消除杂散光的作用。离轴剖物面镜Ⅰ12、离轴剖物面镜II13和离轴剖物面镜III14均为90°离轴抛物面镜。低温黑体加热装置11固定在水平面上，并且低温黑体加热装置11与高温黑体加热装置2相对于电控转台7的轴线对称。低温黑体加热装置11其内部安装低温参考黑体5，低温参考黑体5用于提供低温参考信号。低温黑体加热装置11的温度范围为50℃～800℃。计算机9分别与光谱仪1和位移控制系统8连接；计算机9的作用是：①接收光谱仪1发送来的电信号，计算待测样品15的光谱发射率。②给位移控制系统8提供位移控制信号。位移控制系统8分别与计算机9、水平位移平台6和电控转台7连接。位移控制系统8接收计算机9发送来的位移控制信号，控制水平位移平台6和电控转台7运动。发射率测量装置的工作过程为：步骤1：将发射率测量装置开机并预热。步骤2：将待测样品15安装在样品加热装置3内；计算机9通过位移控制系统8控制水平位移平台6和电控转台7位移，使离轴剖物面镜Ⅰ12对准待测样品15。设置光谱仪1的接收信号的波长，用符号λ表示，λ∈[1,14]，单位：μm；步骤3：将待测样品15加热到Ts，Ts∈[50,800]，单位：℃。待温度稳定后，光谱仪1测量得到待测样品15在Ts温度下的测量值，并将其发送给计算机9。步骤4：计算机9通过位移控制系统8控制水平位移平台6和电控转台7位移，使离轴剖物面镜Ⅰ12对准高温参考黑体4。步骤5：将高温参考黑体4加热到T2，T2∈[50,800]，单位：℃。待温度稳定后，光谱仪1测量得到高温参考黑体4在T2温度下的测量值，并将其发送给计算机9。步骤6：计算机9通过位移控制系统8控制电控转台7旋转及水平和竖直方向的运动，使轴剖物面镜Ⅰ12对准低温参考黑体5。步骤7：将低温参考黑体5加热到T1，T1∈[50,800]，单位：℃；并且T1<T2。待温度稳定后，光谱仪1获得低温参考黑体5在T1温度下的测量值，并将其发送给计算机9。步骤8：计算机9根据接收到的待测样品15在Ts温度下的测量值、高温参考黑体4在T2温度下的测量值以及低温参考黑体5在T1温度下的测量值，计算得到待测样品15的光谱发射率，具体为：步骤8.1：建立关系式，如公式(1)。Vb(λ,T1)=R(λ)Lb(λ,T1)+S(λ)Vb(λ,T2)=R(λ)Lb(λ,T2)+S(λ)---(1)]]>其中，λ为波长，λ∈[1,14]，单位：μm；T1为低温参考黑体温度；T2为高温参考黑体温度；Lb(λ，T1)为低温参考黑体5在T1温度下的光谱辐射亮度，为已知量；Lb(λ，T2)为高温参考黑体4在T2温度下的光谱辐射亮度，为已知量；Vb(λ，T1)为计算机9接收到的低温参考黑体5在T1温度下的测量值；Vb(λ，T2)为计算机9接收到的高温参考黑体4在T2温度下的测量值；R(λ)为光谱仪1的光谱响应函数；S(λ)为光谱仪背景函数。步骤8.2：通过解公式1方程，计算得到光谱响应函数R(λ)和光谱仪背景函数S(λ)。步骤8.3：通过公式(2)计算得到待测样品15在Ts温度下的光谱辐射亮度。Vs(λ，Ts)＝R(λ)Ls(λ，Ts)+S(λ)(2)其中，Ts为待测样品温度；Vs(λ，Ts)为计算机9接收到的待测样品15在Ts温度下的测量值；Ls(λ，Ts)为待测样品15在Ts温度下的光谱辐射亮度。步骤8.4：通过公式(3)计算得到待测样品15的光谱发射率。Ls(λ，Ts)＝εsLb(λ，Ts)+(1-εs)L(λ，Te)(3)其中，Ls(λ，Ts)为待测样品15在温度Ts时的光谱辐射亮度；Lb(λ，Ts)为通用黑体在温度Ts时的光谱辐射亮度，为已知量；Te为环境温度，Te∈[-60,60]，单位：℃；L(λ，Te)为环境光谱辐射亮度，为已知量。以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。