高溫半透明材料光譜方向表觀發(fā)射率逆推測量裝置及方法
【專利摘要】高溫半透明材料光譜方向表觀發(fā)射率逆推測量裝置及方法,屬于高溫材料熱物性測量【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明是為了解決目前半透明材料光譜方向表觀發(fā)射率測量精度低、溫度上限低、測量波段窄并且存在測量死角的問題。本發(fā)明利用傅里葉紅外光譜儀分別對半透明材料的高溫法向透射率和高溫法向發(fā)射率進行測量,繼而根據(jù)輻射傳輸逆問題求解方法計算得到半透明材料的光譜折射率和光譜吸收系數(shù),最終由材料的光譜折射率和光譜吸收系數(shù)計算得到半透明材料高溫光譜方向表觀發(fā)射率。本發(fā)明提供了一種可靠的可對半透明材料高溫光譜方向表觀發(fā)射率進行準確測量的測量方法,可以廣泛應用于航空航天、軍事、能源、化工、以及大氣科學等諸多領(lǐng)域。
【專利說明】 高溫半透明材料光譜方向表觀發(fā)射率逆推測量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高溫半透明材料光譜方向表觀發(fā)射率逆推測量裝置及方法,屬于高溫材料熱物性測量【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)射率定義為同等溫度下材料表面輻射能與黑體輻射能的比值。各種材料表面的發(fā)射率是表征材料表面輻射本領(lǐng)的物理量,是一項極其重要的熱物性參數(shù)。根據(jù)波長范圍,發(fā)射率可分為全光譜發(fā)射率,光譜發(fā)射率和波段發(fā)射率;根據(jù)測量方向可分為半球發(fā)射率和方向發(fā)射率。材料發(fā)射率的測量涉及到航空航天、軍事、化工、冶金、建筑、醫(yī)療、新能源及大氣科學等多個領(lǐng)域。
[0003]半透明材料是指其光譜光學厚度在某個或若干個波段范圍內(nèi)為有限值的材料,在很多領(lǐng)域也有著廣泛的應用,如航天器外表面溫控涂層、航天軍事技術(shù)中導彈飛行器上的硫化鋅窗口材料,軍事目標紅外輻射特性及遙感探測、太陽能利用、紅外加熱、溫控涂層以及玻璃和陶瓷加工等。
[0004]對于半透明材料,其表面出射輻射不僅包含表面邊界的輻射能量,還包括材料內(nèi)部介質(zhì)輻射經(jīng)過衰減后出射的部分輻射能量,所以半透明材料的發(fā)射率實質(zhì)上是表觀發(fā)射率。半透明材料的表觀發(fā)射率與材料組分、表面條件(粗糙度)、材料內(nèi)部的吸收散射條件、材料兩邊界的邊界條件以及材料的溫度分布和考察的波長等因素有關(guān),即半透明材料的表觀發(fā)射率是以上諸多因素的多元函數(shù)。所以其測量存在一定的難度,尤其是對于半透明材料的方向表觀發(fā)射率的測量,主要存在測量精度低、溫度上限低、測量波段窄以及存在測量死角等問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明是為了解決目前半透明材料光譜方向表觀發(fā)射率測量精度低、溫度上限低、測量波段窄并且存在測量死角的問題,提供一種無死角的精確的高溫半透明材料光譜方向表觀發(fā)射率逆推測量裝置及方法。
[0006]本發(fā)明所述的高溫半透明材料光譜方向表觀發(fā)射率逆推測量裝置及方法中的“高溫”是高溫條件下測量半透明材料的光譜方向表觀發(fā)射率。上述高溫條件一般是指在25°C?800°C的條件下進行的測量。
[0007]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是:
[0008]一種高溫半透明材料光譜方向表觀發(fā)射率逆推測量裝置,它包括數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、傅立葉紅外光譜分析儀、真空罐、以及置于真空罐內(nèi)的黑體光源A、可旋轉(zhuǎn)反光鏡、黑體輻射加熱器和黑體光源B ;黑體輻射加熱器和可旋轉(zhuǎn)反光鏡位于黑體光源A和黑體光源B之間,黑體輻射加熱器位于黑體光源A和可旋轉(zhuǎn)反光鏡之間;黑體輻射加熱器用于對待測半透明試件進行輻射加熱以保持待測半透明試件兩表面均為半透明邊界條件,并使透過半透明試件投射到黑體輻射加熱器上的輻射能量全部被吸收;傅立葉紅外光譜分析儀用于采集光譜輻射信號;數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和傅立葉紅外光譜分析儀連接,用于處理傅立葉紅外光譜分析儀采集的信號。
[0009]所述真空罐的外壁設有循環(huán)水恒溫套筒。
[0010]一種高溫半透明材料光譜方向表觀發(fā)射率逆推測量方法,它按以下步驟實現(xiàn):
[0011]步驟一、打開入射黑體光源A,使用傅立葉紅外光譜分析儀采集黑體光源的光譜輻射信號數(shù)據(jù)記做S1 ;
[0012]步驟二、將半透明試件(試件)置于真空罐內(nèi)的試件架中,開啟黑體輻射加熱器,將半透明試件加熱到預定測試溫度并保持溫度穩(wěn)定,使用傅立葉紅外光譜分析儀采集數(shù)據(jù)記做S2,得到的數(shù)據(jù)S2包含:①黑體光源光譜輻射信號透過半透明試件之后剩余的信號S/ ;
②半透明試件自身光譜輻射信號Ss;③輻射加熱器的光譜輻射信號透過半透明試件之后剩余的信號S4';
[0013]步驟三、關(guān)閉入射黑體光源,黑體輻射加熱器仍工作,保持半透明試件溫度穩(wěn)定,使用傅立葉紅外光譜分析儀采集數(shù)據(jù)記做S3,其中包含:①輻射加熱器的光譜輻射信號透過半透明試件之后剩余的信號S4';②半透明試件自身光譜輻射信號Ss ;[0014]步驟四、取出試件架中半透明試件,并保持黑體輻射加熱器溫度不變,使用傅立葉紅外光譜分析儀采集預定測試溫度下黑體輻射加熱器的光譜輻射信號數(shù)據(jù)記做S4 ;
[0015]步驟五、將黑體光源B (參考黑體爐)設定到預定測試溫度達到穩(wěn)定后,轉(zhuǎn)動可旋轉(zhuǎn)反射鏡,使用傅立葉紅外光譜分析儀采集預定待測溫度下黑體光源B (參考黑體爐)的光譜輻射信號數(shù)據(jù)Sb ;
[0016]步驟六、結(jié)合步驟一、步驟二、步驟三、步驟四、步驟五中的獲得的光譜輻射能量測量數(shù)據(jù)計算獲得半透明材料光譜法向表觀發(fā)射率測量值ε ±(λ)和光譜法向透射率測量值 τ ± (λ);
[0017]步驟七、根據(jù)輻射傳輸逆問題求解算法,假設半透明試件的光譜折射率為η' λ,光譜吸收系數(shù)為K' λ,通過求解輻射傳輸方程計算得到該半透明材料的光譜法向表觀發(fā)射率估計值ε,± (λ)和光譜法向透射率估計值τ ' ± (λ);
[0018]步驟八、將步驟六得到的半透明材料光譜法向表觀發(fā)射率測量值ε ± (λ)、光譜法向透射率測量值τ ± (λ)和步驟七得到的半透明材料的光譜法向表觀發(fā)射率估計值ε' ± U)、光譜法向透射率估計值τ ' ± (λ)代入如下目標函數(shù)計算公式,計算得到目標函數(shù)值Ftjbj ;
[0019]
【權(quán)利要求】
1.一種高溫半透明材料光譜方向表觀發(fā)射率逆推測量裝置,其特征在于:它包括數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(I)、傅立葉紅外光譜分析儀(2)、真空罐(7)、以及置于真空罐(7)內(nèi)的黑體光源A(6)、可旋轉(zhuǎn)反光鏡(4)、黑體輻射加熱器(5)和黑體光源B (3);黑體輻射加熱器(5)和可旋轉(zhuǎn)反光鏡(4)位于黑體光源A (6)和黑體光源B (3)之間,黑體輻射加熱器(5)位于黑體光源A (6)和可旋轉(zhuǎn)反光鏡(4)之間;黑體輻射加熱器(5)用于對待測半透明試件(9)進行輻射加熱以保持待測半透明試件(9)兩表面均為半透明邊界條件,并使透過半透明試件(9)投射到黑體輻射加熱器(5)上的輻射能量全部被吸收;傅立葉紅外光譜分析儀(2)用于采集光譜輻射信號;數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(I)和傅立葉紅外光譜分析儀(2 )連接,用于處理傅立葉紅外光譜分析儀(2)采集的信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高溫半透明材料光譜方向表觀發(fā)射率逆推測量裝置,其特征在于:所述真空罐(7)的外壁設有循環(huán)水恒溫套筒(8)。
3.—種高溫半透明材料光譜方向表觀發(fā)射率逆推測量方法,其特征在于:它按以下步驟實現(xiàn): 步驟一、打開入射黑體光源A (6),使用傅立葉紅外光譜分析儀采集黑體光源的光譜輻射信號數(shù)據(jù)記做S1 ; 步驟二、將半透明試件置于真空罐內(nèi)的試件架中,開啟黑體輻射加熱器,將半透明試件加熱到預定測試溫度并保持溫度穩(wěn)定,使用傅立葉紅外光譜分析儀采集數(shù)據(jù)記做S2,得到的數(shù)據(jù)S2包含:①黑體光源光譜輻射信號透過半透明試件之后剩余的信號S/ 半透明試件自身光譜輻射信號Ss ;③輻射加熱器的光譜輻射信號透過半透明試件之后剩余的信號S/ ; 步驟三、關(guān)閉入射黑體光源,黑體輻射加熱器仍工作,保持半透明試件溫度穩(wěn)定,使用傅立葉紅外光譜分析儀采集數(shù)據(jù)記做S3,其中包含:①輻射加熱器的光譜輻射信號透過半透明試件之后剩余的信號S4';②半透明試件自身光譜輻射信號Ss ; 步驟四、取出試件架中半透明試件,并保持黑體輻射加熱器溫度不變,使用傅立葉紅外光譜分析儀采集預定測試溫度下黑體輻射加熱器的光譜輻射信號數(shù)據(jù)記做S4 ; 步驟五、將黑體光源B (3)設定到預定測試溫度達到穩(wěn)定后,轉(zhuǎn)動可旋轉(zhuǎn)反射鏡,使用傅立葉紅外光譜分析儀采集預定待測溫度下黑體光源B (3)的光譜輻射信號數(shù)據(jù)Sb ; 步驟六、結(jié)合步驟一、步驟二、步驟三、步驟四、步驟五中的獲得的光譜輻射能量測量數(shù)據(jù)計算獲得半透明材料光譜法向表觀發(fā)射率測量值ε ± (λ)和光譜法向透射率測量值τ丄(入); 步驟七、根據(jù)輻射傳輸逆問題求解算法,假設半透明試件的光譜折射率為η, λ,光譜吸收系數(shù)為K ' λ,通過求解輻射傳輸方程計算得到該半透明材料的光譜法向表觀發(fā)射率估計值ε,± (λ)和光譜法向透射率估計值τ ' ± (λ); 步驟八、將步驟六得到的半透明材料光譜法向表觀發(fā)射率測量值ε ± (λ)、光譜法向透射率測量值τ ± (λ)和步驟七得到的半透明材料的光譜法向表觀發(fā)射率估計值ε' ± U)、光譜法向透射率估計值τ ' ± (λ)代入如下目標函數(shù)計算公式,計算得到目標函數(shù)值Ftjbj ;
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高溫半透明材料光譜方向表觀發(fā)射率逆推測量方法,其特征在于根據(jù)上述步驟六中所述結(jié)合步驟一、步驟二、步驟三、步驟四、步驟五中的獲得的光譜輻射能量測量數(shù)據(jù)計算獲得半透明材料光譜法向表觀發(fā)射率ε ± (λ)和光譜法向透射率τ ± U),具體過程為: 步驟一至步驟四中傅立葉紅外光譜分析儀在預定待測溫度T下采集獲得輸出光譜能量分別為:
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高溫半透明材料光譜方向表觀發(fā)射率逆推測量方法,其特征在于根據(jù)上述步驟七中所述通過求解輻射傳輸方程計算得到該半透明材料的光譜法向表觀發(fā)射率估計值ε,± (λ)和光譜法向透射率估計值τ,± (λ),具體過程為: 根據(jù)貝爾定律可知,光譜法向透射率估計值飛'± U)的表達式為,
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高溫半透明材料光譜方向表觀發(fā)射率逆推測量方法,其特征在于根據(jù)上述步驟十中所述根據(jù)步驟九中計算得到的半透明試件的真實光譜折射率ηλ和光譜吸收系數(shù)κ λ,通過求解輻射傳輸方程計算得到該半透明材料的光譜方向表觀發(fā)射率
,具體方法為: 根據(jù)偽光源疊加法,半透明試件光源入射側(cè)表面X=D上任意一點C處沿CA方向的有效輻射由如下三部分組成: A為半透明試件出射表面χ=0上任一點, (I)輻射加熱器自身發(fā)射透過半透明邊界D到達C處的輻射強度Iu,其表達式為,
7.根據(jù)權(quán)利要求3、4、5或6所述的高溫半透明材料光譜方向表觀發(fā)射率逆推測量方法,其特征在于待測半透明試件的尺寸為:圓形試件直徑25~IOOmm或矩形試件邊長25~IOOmm ;待測試件的加熱范圍是300~1673Κ。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高溫半透明材料光譜方向表觀發(fā)射率逆推測量方法,其特征在于:待測光譜波長范圍是I~25 μ m。
【文檔編號】G01N21/3563GK103674888SQ201310721986
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月24日
【發(fā)明者】齊宏, 牛春洋, 孫雙成, 鄭獻之, 阮立明, 姜寶成 申請人:哈爾濱工業(yè)大學