高溫材料發射率測量方法和系統技術方案

本發明專利技術提供了一種高溫材料發射率測量方法和系統，其中所述系統包括大功率輻射源、擴束整形均束裝置、真空倉、樣品測試平臺、旋轉反射鏡、顯微成像裝置、光譜切換裝置、輻射能量成像測量裝置、溫度測量裝置。本發明專利技術通過在被測樣品上加工出黑體空腔，并用成像方法對被測材料表面和黑體空腔的輻射能量同時測量，采用窄帶濾光片進行光譜選擇，不僅能夠保證被測材料和標準參考樣品測量的同時性，也能夠保證樣品和參考源的完全等溫，能夠顯著減少發射率測量的誤差來源，提高測量準確度和測試的便利程度，有利于本發明專利技術的工程化應用。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于材料熱物性參數測量
，更具體地涉及一種利用能量比較法進行材料高溫下發射率測量的方法。
技術介紹
目前在高溫材料發射率研究領域，多采用大電流通電加熱的方式，不適用于復合材料、高溫陶瓷等導電性能不佳的材料發射率測量，且溫度測量上限難以在保證樣品表面較好的溫場均勻性的同時達到2000K以上的溫度。在測量方法上采用測量絕對能量的量熱法、在標準參考黑體和被測樣品間切換測量的能量比較法等。量熱法測量誤差來源多，實現精確測量對設備要求高。利用標準參考黑體切換測量的能量比較法難以保證兩次測量的同步性，在樣品溫度不穩定時將帶來較大的測量誤差。·為此，本專利技術提出了一種新的高溫材料發射率測量方法，以及用于實現該方法的系統。
技術實現思路
本專利技術的第一個目的是提供一種高溫材料發射率測量方法，能夠方便地測量被測材料高溫下的全波段發射率和光譜發射率。本專利技術的第二個目的是提供一種高溫材料發射率測量系統，以實現上述方法。根據本專利技術的第一個目的，高溫材料發射率測量方法包括以下步驟步驟I :將被測樣品加工成圓柱形，并在圓柱一側端面開孔，孔的幾何尺寸滿足形成黑體空腔效應條件；步驟2 :將被測樣品豎直置于真空倉中固定，開孔的一端朝上，使被測樣品在測試過程中始終保持在水平面內勻速轉動；步驟3 :利用輻射能量對真空倉中的被測樣品進行加熱，將樣品逐漸加熱至所需的溫度并保持；步驟4:將被測樣品頂部圓端面的紅外輻射能量反射到顯微成像裝置中，通過成像測量裝置對被測樣品頂端表面及其上的黑體空腔進行成像；步驟5 :對被測樣品及黑體空腔的輻射能量進行紅外圖像采集，將紅外圖像中每個像素點的灰度值代入數學模型計算出被測樣品每個空間點的紅外輻射能量；步驟6 :將紅外圖像中的材料表面輻射能量與黑體空腔輻射能量相比，計算出被測材料在當前測量波長下的發射率。進一步地，上述方法還可以包括步驟7 :將不同透過特性的窄帶濾光片切入到成像光學系統中，重復步驟5到6，即可測得在當前溫度下不同波長下的材料光譜發射率。進一步地，上述方法還可以包括步驟8 改變步驟3中被測樣品的溫度，重復步驟4到6，即可測得不同溫度下的材料光譜發射率。通過應用該方法，采用整體式的能量比較法進行樣品材料的高溫發射率測量，簡化了操作過程，同時減少了測量不確定度來源，且將傳統的只適用于導電材料的大電流加熱方法改進為適用于各種材料的輻射加熱方式，拓展了高溫材料發射率測量技術的應用領域。根據本專利技術的第二個目的，高溫材料發射率測量系統包括真空倉、樣品測試平臺、大功率輻射源、擴束整形均束裝置、旋轉反射鏡、成像測量裝置、溫度測量裝置。其中所述真空倉一側設有允許輻射能量入射的窗口，與入射窗口垂直的另一側設有允許輻射能量出射的測試窗口。所述樣品測試平臺位于真空倉內，用于固定被測樣品，并且可以在水平面內轉動被測樣品。樣品測試平臺可采用耐高溫、低導熱的材料做夾具固定被測樣品，在保證固定可靠的前提下使夾具和被測材料的接觸面積盡可能小，這樣可以保證較少的熱傳導損耗，也有利于提供樣品表面的溫場均勻性。樣品測試平臺還可以根據需要在水平和垂直兩個方向微調，在測試時沿垂直方向轉動，轉動速度可調。 所述大功率輻射源用于向真空倉內的被測樣品發射輻射加熱能量。所述擴束整形均束裝置用于對大功率輻射源出射的熱量整形，使能量束剛好覆蓋被測樣品投影面積，且在空間上強度分布均勻；這樣不僅能夠對導電和非導電材料都能加熱，且樣品溫升快，表面溫度梯度小。所述旋轉反射鏡用于反射被測樣品的紅外輻射能量。旋轉反射鏡放置在測試窗口出口處，允許在真空倉周圍不同方向放置不同波段的輻射能量采集系統。通過旋轉反射鏡旋轉不同的角度將目標輻射能量入射到不同的輻射能量采集系統中。所述成像測量裝置具有紅外焦平面陣列，用于接收被測樣品的紅外輻射能量，形成紅外測試圖像。成像測量裝置采用紅外焦平面陣列接收樣品的紅外輻射能量，形成紅外測試圖像。可以從每個像素點的灰度信息按照數學模型計算出樣品空間上對應點的輻射能量信息。所述溫度測量裝置用于檢測樣品加熱過程中的溫度，并反饋到大功率輻射源以調整其輸出功率，控制樣品溫度。進一步地，所述系統還可以包括顯微成像裝置，所述顯微成像裝置用于接收旋轉反射鏡反射的被測樣品的紅外輻射能量，并對被測樣品進行放大后成像至成像測量裝置。顯微成像裝置按照樣品尺寸和真空倉測試窗口尺寸設計，并與輻射能量采集系統的光學系統口徑相匹配，能夠對相對較小的樣品和其上的黑體空腔進行放大后成像，使采集到的紅外測試圖像具有較高的空間分辨率。進一步地，所述系統還可以包括光譜切換裝置，所述光譜切換裝置用于在顯微成像裝置和成像測量裝置之間的光路中切入不同透過特性的窄帶濾光片。光譜切換裝置可以根據測量需求在測試光路中切入不同透過特性的窄帶濾光片，其中心波長和帶寬都可以根據測試需求方便地更換。本專利技術通過在被測樣品上加工出黑體空腔，并用成像方法對被測材料表面和黑體空腔的輻射能量同時測量，不僅能夠保證被測材料和標準參考樣品測量的同時性，也能夠保證樣品和參考源的完全等溫，能夠顯著減少發射率測量的誤差來源，提高測量準確度和測試的便利程度，有利于本專利技術的工程化應用。附圖說明圖I為本專利技術的發射率測量流程圖2為本專利技術材料高溫發射率測量系統的結構示意圖。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術的最佳實施例作進一步描述圖I所示為材料高溫發射率成像光譜測量流程圖。整個測試過程可以分為以下幾個步驟步驟1，在被測樣品上加工黑體空腔。首先將被測樣品加工成圓柱形，并在圓柱一側端面開孔，孔的幾何尺寸滿足形成黑體空腔效應條件。步驟2，在真空環境中旋轉樣品。將被測樣品豎直置于真空倉中固定，開孔的一端朝上，使被測樣品在測試過程中始終保持在水平面內勻速轉動。步驟3，輻射加熱樣品。利用輻射能量對真空倉中的被測樣品進行輻射，將樣品逐漸加熱至所需的溫度并保持穩定。步驟4，采集樣品的輻射能量。將被測樣品頂部圓端面的紅外輻射能量反射到顯微成像裝置中，通過成像測量裝置對被測樣品頂端表面及其上的黑體空腔進行成像。步驟5，樣品及其黑體空腔成像。對被測樣品及其黑體空腔的輻射能量進行紅外圖像采集，將紅外圖像中每個像素點的灰度值代入數學模型計算出被測樣品每個空間點的紅外輻射能量。步驟6，計算樣品在當前波長下的發射率。將紅外圖像中的材料表面輻射能量與黑體空腔輻射能量相比，計算出被測材料在當前測量波長下的發射率。圖2所示的高溫材料發射率測量系統可用于實現上述方法。該系統包括大功率輻射源、擴束整形均束裝置、真空倉、樣品測試平臺、旋轉反射鏡、紅外顯微鏡頭、濾光片輪、 成像輻射計、輻射測溫儀和終端控制計算機。其中，真空倉和樣品測試平臺共同組成了圖中所示的真空測試系統。其中，大功率輻射源可采用大功率的激光器,輸出功率連續可調。使用擴束整形均束裝置將激光器輸出的線偏振光轉為圓偏振光，均束整形后光斑為長條形，幾何尺寸可以根據樣品尺寸微調，光斑強度分布均勻。經真空倉的光學窗口入射到樣品表面。真空倉內壁涂黑，采用水循環或液氮制冷，為測試提供低溫冷背景。樣品測試平臺置于真空倉內，能夠根據輻射源的能量空間分布和測試需要作水平和垂直的兩周調整，且在測試時能夠在水平面內勻速轉動，使得入射能量均勻入射到樣品的表面，能夠提供較好的溫場分布均勻性。樣品測試平臺采用耐高溫本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種高溫材料發射率測量方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1：將被測樣品加工成圓柱形，并在圓柱一側端面開孔，孔的幾何尺寸滿足形成黑體空腔效應條件；步驟2：將被測樣品豎直置于真空倉中固定，開孔的一端朝上，使被測樣品在測試過程中始終保持在水平面內勻速轉動；步驟3：利用輻射能量對真空倉中的被測樣品進行輻射，將樣品逐漸加熱至所需的溫度并保持；步驟4：將被測樣品頂部圓端面的紅外輻射能量反射到顯微成像裝置中，通過成像測量裝置對被測樣品頂端表面及其上的黑體空腔進行成像；步驟5：對被測樣品及其黑體空腔的輻射能量進行紅外圖像采集，將紅外圖像中每個像素點的灰度值代入數學模型計算出被測樣品每個空間點的紅外輻射能量；步驟6：將紅外圖像中的材料表面輻射能量與黑體空腔輻射能量相比，計算出被測材料在當前測量波長下的發射率。

【技術特征摘要】
1.一種高溫材料發射率測量方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟I:將被測樣品加工成圓柱形，并在圓柱一側端面開孔，孔的幾何尺寸滿足形成黑體空腔效應條件； 步驟2 :將被測樣品豎直置于真空倉中固定，開孔的一端朝上，使被測樣品在測試過程中始終保持在水平面內勻速轉動； 步驟3 :利用輻射能量對真空倉中的被測樣品進行輻射，將樣品逐漸加熱至所需的溫度并保持； 步驟4 :將被測樣品頂部圓端面的紅外輻射能量反射到顯微成像裝置中，通過成像測量裝置對被測樣品頂端表面及其上的黑體空腔進行成像； 步驟5 :對被測樣品及其黑體空腔的輻射能量進行紅外圖像采集，將紅外圖像中每個像素點的灰度值代入數學模型計算出被測樣品每個空間點的紅外輻射能量； 步驟6 :將紅外圖像中的材料表面輻射能量與黑體空腔輻射能量相比，計算出被測材料在當前測量波長下的發射率。2.如權利要求I所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟 步驟7 :將不同透過特性的濾光片切入到成像光學系統中，重復步驟5到6，計算在當前溫度下不同波長下的材料光譜發射率。3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟 步驟8 :改變步驟3中被測樣品的溫度，重復步驟4到6，計算不同溫度下的材料光譜發射率。4.如權利要求1-3任一項所述的方法，其特征在于，步驟6中被測樣品的表面輻射能量是指整個表面的輻射能量的平均值，所述黑體空腔的輻射值是指黑體空腔輻射值的平均值。...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張虎，孫紅勝，陳應航，王加朋，任小婉，宋春暉，李世偉，
申請(專利權)人：北京振興計量測試研究所，
類型：發明
國別省市：