[发明专利]一种高温条件半透明材料光谱发射率测量装置及方法

权利要求书

1.一种高温条件半透明材料光谱发射率测量装置，其特征在于包括傅里叶红外光谱仪(1)、黑体辐射源(2)、转换光路(4)、加热装置(5)、样品腔装置(7)、导轨(8)、数据采集器(9)及个人计算机(10，11)，所述傅里叶红外光谱仪(1)与第一个人计算机(11)连接，第一个人计算机(11)对傅里叶红外光谱仪(1)进行操作与控制；所述的黑体辐射源(2)由数字式PID控制器(3)控制；加热装置(5)由温度控制器(6)控制；样品腔(7)放置在导轨(8)上，半透明样品(12)固定在样品腔(7)上，且样品(12)的表面固定一个热电偶(13)，该热电偶(13)与数据采集器(9)连接，而数据采集器(9)与第二个人计算机(10)相连，该第二个人计算机(10)实现对温度的数据收集；

所述转换光路(4)由一个90°离轴抛物面镜(14)、一个可旋转90°的离轴抛物面(15)及一面长方形平面镜(17)组成；

所述的傅里叶红外光谱仪(1)的检测入口(16)的中心轴线、转换光路(4)的抛物面镜(14)的镜面中心与垂直轴线(a)共线；

转换光路(4)的可旋转的抛物面镜(15)的镜面中心、黑体辐射源(2)的入口的中心轴线及样品腔装置(7)的中心轴线与水平轴线(b)共线；

其中样品腔装置(7)上的样品(12)前表面至可旋转的抛物面镜(15)的镜面中心的距离L1与黑体辐射源(2)至可旋转的抛物面镜(15)的镜面中心的距离L2相等；

所述的样品腔装置(7)由样品腔(7-1)、支架(7-2)、转动盘(7-3)、底座(7-4)组成，与导轨(8)一起移动样品；所述的样品腔(7-1)为铝制圆管，支架(7-2)由中间开了通孔的方形的铝材以及圆柱形不锈钢组成，转动盘(7-3)为带有圆周角刻度的圆形不锈钢，底座(7-4)为方形不锈钢；样品腔(7-1)与支架(7-2)通过螺纹连接，支架(7-2)将转动盘(7-3)及底座(7-4)连在一起，转动盘(7-3)可带动支架(7-2)与样品腔(7-1)转动，底座(7-4)放置在导轨(8)上。

2.根据权利要求1所述的高温条件半透明材料光谱发射率测量装置，其特征在于所述的加热装置(5)为电热丝制成的装置，包括外壳(5-1)、电热丝托盘(5-2)、隔热棉保温层(5-3)、电源引线(5-4)、陶瓷隔板(5-5)、加热板(5-6)，其中加热板侧面开设直径为1mm，深度为40～50mm的孔(5-7)，用于安装温度控制器(6)的测温热电偶；加热装置(5)对半透明样品(12)加热升温；

所述外壳(5-1)为不锈钢壳体，电热丝托盘(5-2)为陶瓷托盘，电热丝盘成螺旋线均匀地盘布在陶瓷托盘内，隔热棉保温层(5-3)为隔热良好的硅酸铝陶瓷保温纤维棉，陶瓷隔板(5-5)为绝缘性好的陶瓷板，加热板(5-6)为表面光滑、平整的2520不锈钢，电源引线(5-4)为耐高温导线，一端与电热丝托盘(5-2)的电热丝连接，另一端与温度控制器(6)连接；加热装置从加热板(5-6)起，其后依次为陶瓷隔板(5-5)、盘布好电热丝的电热丝托盘(5-2)、隔热棉保温层(5-3)；外壳(5-1)将电热丝托盘(5-2)、隔热棉保温层(5-3)、陶瓷隔板(5-5)包裹起来。

3.一种利用权利要求1、2所述的装置对高温条件半透明材料光谱发射率测量方法，其特征在于步骤如下：

步骤一，将可旋转的抛物面镜(15)朝向黑体辐射源(2)入口，开启傅里叶红外光谱仪(1)，调出傅里叶红外光谱仪(1)的内部校准激光，调节转换光路(4)，调整到校准激光能够从黑体辐射源(2)入口中心射入黑体内部；

步骤二，启动黑体辐射源(2)并设置黑体温度，温度由100℃至500℃，间隔为50℃，用傅里叶红外光谱仪(1)测量不同温度下的黑体光谱辐射信号，采用双温法对傅里叶红外光谱仪(1)进行标定，得到响应函数R(λ)和背景辐射S₀(λ)；

傅里叶红外光谱仪(1)在波长λ处以及T₁和T₂温度时的辐射测量信号S₁(λ，T₁)与S₂(λ，T₂)：

S₁(λ,T₁)＝R(λ)L₁(λ,T₁)+S₀(λ) 公式1

S₂(λ,T₂)＝R(λ)L₂(λ,T₂)+S₀(λ) 公式2

T₁，T₂为用傅里叶红外光谱仪(1)测量黑体辐射源(2)的光谱辐射信号时黑体温度，S₁(λ，T₁)—温度为T₁时标准黑体的电压信号，S₂(λ，T₂)—温度为T₂时标准黑体的电压信号，L₁(λ，T₁)—温度为T₁时标准黑体光谱辐射强度，L₂(λ，T₂)—温度为T₂时标准黑体光谱辐射强度，R(λ)—检测器的响应函数；S₀(λ)—检测器的背景函数；

联立得到响应函数R(λ)和背景辐射S₀(λ)；

步骤三，将半透明样品(12)固定在样品腔装置(7)，热电偶(13)贴在样品(12)表面，将可旋转的抛物面镜(15)朝向样品腔装置(7)，开启傅里叶红外光谱仪(1)，调出傅里叶红外光谱仪(1)的内部校准激光，调节转换光路(4)，此时校准激光能达到半透明样品(12)的中心位置；

步骤四，将固定半透明样品的样品腔装置(7)移动至加热装置(5)处；由数字式PID控制器(3)控制加热装置(5)对样品(12)加热，加热到设定温度并达到稳定后，将样品(12)与加热装置(5)分离，样品腔装置(7)通过导轨(8)在2秒内移到测试位置；

步骤五，调整样品腔装置(7)的转动盘(7-3)至样品(12)的测量发射率方向，用傅里叶红外光谱仪(1)测量样品(12)光谱辐射信号L*(λ，T₃)，样品(12)的表面温度由一支热电偶(13)测量，热电偶(13)与数据采集器(9)相连，记录傅里叶红外光谱仪(1)扫描样品(12)辐射信号开始与结束时数据采集器(9)显示的温度，选取扫描样品辐射信号开始与结束时温度的平均值作为表面温度测量值；

当样品温度为T₃时，环境温度为T_sur时，离开样品表面的辐射能量L^*(λ，T₃)为：

L^*(λ,T₃)＝ε₃(λ,T₃)L₃(λ,T₃)+L_sur(λ,T_sur)(1-ε₃(λ,T₃)) 公式5

L₃(λ，T₃)—样品温度为T₃时对应黑体光谱辐射强度，L_sur(λ，T_sur)—环境温度为T_sur时对应黑体光谱辐射强度，ε₃(λ，T₃)为半透明样品的光谱发射率；

傅里叶红外光谱仪(1)接受到样品在T₃温度下的辐射测量信号S₃(λ，T₃)：

S₃(λ,T₃)＝R(λ)L^*(λ,T₃)+S₀(λ) 公式6

其中S₃(λ，T₃)—温度为T₁时样品的电压信号，L^*(λ，T₃)—样品表面的辐射能量，R(λ)—检测器的响应函数；S₀(λ)—检测器的背景函数；

由上述两个公式解得半透明样品的光谱发射率ε₃(λ，T₃)为：