CN104390931A - 高精度红外样品材料光谱发射率测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种高精度红外样品材料光谱发射率测试装置及方法，采用光谱比对测量法，通过设计光学偶合系统和水冷可变光栏，满足各类不同尺寸样品材料发射率的测试需求，通过对相同波长点多次测量信号叠加运算的方法，实现信号选择放大，有效拟制环境背景的噪音和系统杂散光，提高了测量精度，实现了对样品材料光谱发射率的高精度测试。该方法解决了目前不同尺寸红外样品材料光谱发射率高精度测量难题，具有测量精度高、温度范围大、适合不同尺寸样品材料等优点。本发明不仅能够满足各类红外材料光谱发射率的准确测试，而且对红外目标、红外模拟器光谱发射率以及红外目标光谱辐射亮度的计量测试具有一定的指导意义。

Description

高精度红外样品材料光谱发射率测量装置及方法

技术领域

本发明属于光学计量与测试领域，主要涉及一种样品材料光谱发射率测量方法，尤其涉及一种高精度红外样品材料光谱发射率测量装置及方法。

背景技术

目前材料发射率测试一般量热法、反射率法、辐射能量法和基于红外傅立叶光谱仪测量法，量热法、反射率法、辐射能量法这三种方法主要是测量材料的积分发射率或半球发射率，无法测量材料的发射率，与本发明接近的是基于红外傅立叶光谱仪测量法，在对国内外技术查新和调研中发现，美国的NIST和日本相关研究所和国内部分高校都开展了基于红外傅立叶光谱仪测量法研究，但是该方法只能测量固定尺寸样品材料的发射率，然而，由于目前测试样品材料尺寸不规则，采用红外傅立叶光谱仪测量法测试材料的发射率会导致进入光学系统后光路不对称，且产生大量杂散光，给测试带来很大误差。目前，还没有见到适合不同尺寸材料发射率高精度测量方法的相关报道。

发明内容

本发明的目的是针对目前材料光谱发射率测量的难题，提出一种高精度红外样品材料光谱发射率测试装置及方法，采用光谱比对法，通过设计光学偶合系统和水冷可变光栏，完成对不同尺寸样品材料光谱发射率的高精度测量。

本发明的技术方案为：

所述一种高精度红外样品材料光谱发射率测量装置，其特征在于：包括变温标准黑体及其温控系统、样品加热炉、两个水冷可变光栏、红外光学偶合系统、红外傅立叶光谱仪、计算机测试系统；红外光学耦合系统由一个旋转反射镜、一个离轴抛物面镜和一个平面反射镜组成；

变温标准黑体和样品加热炉放置在旋转反射镜两侧，样品加热炉出口中心和变温标准黑体出口中心相对，样品加热炉出口中心和变温标准黑体出口中心到旋转反射镜中心的距离相等；样品加热炉出口中心、变温标准黑体出口中心以及旋转反射镜中心在一条直线上；

第一水冷可变光栏放置在距变温标准黑体出口L处，且第一水冷可变光栏口径小于变温标准黑体的输出口径；第二水冷可变光栏放置在样品加热炉出口L处，第二水冷可变光栏口径等于第一水冷可变光栏口径；

变温标准黑体发出的红外辐射信号经第一水冷可变光栏限束后，或者样品加热炉发出的红外辐射信号经第二水冷可变光栏限束后，打到旋转反射镜上，旋转反射镜将该信号反射后，由离轴抛物面镜接收，离轴抛物面镜将该信号转换为平行光，再经平面反射镜反射，由红外傅立叶光谱仪接收；红外傅立叶光谱仪将信号传递给计算机测试系统。

所述一种高精度红外样品材料光谱发射率测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将旋转反射镜反射面朝向变温标准黑体；通过变温标准黑体温控系统将变温标准黑体升温至待测温度点并稳定；由红外傅立叶光谱仪测量红外光学耦合系统传递的红外信号，红外信号起始波长λ₁，截至波长λ_m，测量次数n，红外傅立叶光谱仪输出一组输出电压信号V_b1(λ_i)、V_b2(λ_i)，……，V_bn(λ_i)至计算机测试系统，其中i＝1，2，……，m；

步骤2：将旋转反射镜反射面朝向样品加热炉；测试样品材料安装在样品加热炉上，打开样品加热炉加热至待测温度点并稳定；由红外傅立叶光谱仪测量红外光学耦合系统传递的红外信号，红外信号起始波长λ₁，截至波长λ_m，测量次数n，红外傅立叶光谱仪输出一组输出电压信号V₁(λ_i)、V₂(λ_i)，……，V_n(λ_i)至计算机测试系统，其中i＝1，2，……，m；

步骤3：根据下列公式计算样品材料的发射率：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_b\left({\mathrm{\λ}}_i\right)=V_{\mathrm{bl}}\left({\mathrm{\λ}}_i\right)+V_{b2}\left({\mathrm{\λ}}_i\right)+......+V_{\mathrm{bn}}\left({\mathrm{\λ}}_i\right)\\ V\left({\mathrm{\λ}}_i\right)=V_1\left({\mathrm{\λ}}_i\right)+V_2\left({\mathrm{\λ}}_i\right)+......+V_n\left({\mathrm{\λ}}_i\right)\\ \mathrm{\ϵ}\left({\mathrm{\λ}}_i\right)=V\left({\mathrm{\λ}}_i\right)/V_b\left({\mathrm{\λ}}_i\right)\·{\mathrm{\ϵ}}_b\end{array}\right.$

其中V_b(λ_i)为变温标准黑体在波长λ_i的n次测量输出电压信号值之和；V(λ_i)为样品加热炉在波长λ_i的n次测量输出电压信号值之和；ε_b为变温标准黑体的发射率，ε(λ_i)为待测样品材料的发射率。

有益效果

本发明的整体技术效果体现在以下两个方面。

1)本发明解决了现有设备只能测量固定尺寸样品发射率的难题，如样品材料尺寸或形状、大小发生变化，则导致被测样品材料和变温标准黑体发出的辐射信号进入光学系统后光路不对称，且产生大量杂散光，给测量带来很大的测量误差，本方法通过设计可变水冷光栏、红外光学偶合系统使测试灵活，可满足面积不同样品的测试要求。

2)本发明高精度红外样品材料发射率测试方法，采用在相同波长点进行多次测量，通过对相同波长点多次测量信号叠加运算的方法，实现信号选择放大，有效拟制环境背景的噪音和系统杂散光，提高了测量精度。

附图说明

图1是本发明高精度红外样品材料光谱发射率测量装置原理图。

图中：1、样品加热炉；2、测试样品；3、第二水冷可变光栏；4、旋转反射镜；5、第一水冷可变光栏；6、变温标准黑体及其温控系统；7、红外光学偶合系统；8、红外傅立叶光谱仪；9、计算机测试系统。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

为了实现高精度红外样品材料光谱发射率的测试，本发明的总体构思是，通过搭建高精度红外样品材料光谱发射率测试装置，设计光学偶合系统和水冷可变光栏，采用光谱比对法，实现对不同尺寸样品材料光谱发射率的准确测试。同时，本发明通过对相同波长点多次测量信号叠加运算的方法，实现信号选择放大，有效拟制环境背景的噪音和系统杂散光，提高了测量精度。

高精度红外样品材料光谱发射率测试装置如图1所示，主要由变温标准黑体及其温控系统、样品加热炉、两个水冷可变光栏、红外光学偶合系统、红外傅立叶光谱仪、含有测量软件包的计算机测试系统等组成。其中，红外光学耦合系统由一个旋转反射镜、一个离轴抛物面镜和一个平面反射镜组成，红外光学耦合系统中各组件通过各自的可调节支架放置在光学平台上。

变温标准黑体和样品加热炉放置在旋转反射镜两侧，样品加热炉出口中心和变温标准黑体出口中心相对，样品加热炉出口中心和变温标准黑体出口中心到旋转反射镜中心的距离相等；样品加热炉出口中心、变温标准黑体出口中心以及旋转反射镜中心在一条直线上。

第一水冷可变光栏放置在距变温标准黑体出口L处，且调节第一水冷可变光栏口径小于变温标准黑体的输出口径，这样当旋转反射镜反射面朝向变温标准黑体时，变温标准黑体发出的红外辐射信号经第一水冷可变光栏限束后打到旋转反射镜上，旋转反射镜将该信号反射后，由离轴抛物面镜接收，离轴抛物面镜将该信号转换为平行光，再经平面反射镜反射，由红外傅立叶光谱仪接收，红外傅立叶光谱仪将信号传递给计算机测试系统。

第二水冷可变光栏放置在样品加热炉出口L处，第二水冷可变光栏口径等于第一水冷可变光栏口径。当旋转反射镜反射面朝向样品加热炉时，样品加热炉发出的红外辐射信号经第二水冷可变光栏限束后，打到旋转反射镜上，旋转反射镜将该信号反射后，由离轴抛物面镜接收，离轴抛物面镜将该信号转换为平行光，再经平面反射镜反射，由红外傅立叶光谱仪接收；红外傅立叶光谱仪将信号传递给计算机测试系统。

采用以上装置进行的高精度红外样品材料光谱发射率测量方法，包括以下步骤：

步骤1：将旋转反射镜反射面朝向变温标准黑体；通过变温标准黑体温控系统将变温标准黑体升温至待测温度点并稳定；由红外傅立叶光谱仪测量红外光学耦合系统传递的红外信号，红外信号起始波长λ₁，截至波长λ_m，测量次数n，红外傅立叶光谱仪输出一组输出电压信号V_b1(λ_i)、V_b2(λ_i)，……，V_bn(λ_i)至计算机测试系统，其中i＝1，2，……，m；并将该组数据保存在计算机存储模块中。

步骤2：将旋转反射镜反射面朝向样品加热炉；测试样品材料安装在样品加热炉上，打开样品加热炉加热至待测温度点并稳定；由红外傅立叶光谱仪测量红外光学耦合系统传递的红外信号，红外信号起始波长λ₁，截至波长λ_m，测量次数n，红外傅立叶光谱仪输出一组输出电压信号V₁(λ_i)、V₂(λ_i)，……，V_n(λ_i)至计算机测试系统，其中i＝1，2，……，m；并将该组数据保存在计算机存储模块中。

步骤3：计算机测试系统根据下列公式计算样品材料的发射率：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_b\left({\mathrm{\λ}}_i\right)=V_{\mathrm{bl}}\left({\mathrm{\λ}}_i\right)+V_{b2}\left({\mathrm{\λ}}_i\right)+......+V_{\mathrm{bn}}\left({\mathrm{\λ}}_i\right)\\ V\left({\mathrm{\λ}}_i\right)=V_1\left({\mathrm{\λ}}_i\right)+V_2\left({\mathrm{\λ}}_i\right)+......+V_n\left({\mathrm{\λ}}_i\right)\\ \mathrm{\ϵ}\left({\mathrm{\λ}}_i\right)=V\left({\mathrm{\λ}}_i\right)/V_b\left({\mathrm{\λ}}_i\right)\·{\mathrm{\ϵ}}_b\end{array}\right.$

其中V_b(λ_i)为变温标准黑体在波长λ_i的n次测量输出电压信号值之和；V(λ_i)为样品加热炉在波长λ_i的n次测量输出电压信号值之和；ε_b为变温标准黑体的发射率，ε(λ_i)为待测样品材料的发射率。

Claims (2)

1.一种高精度红外样品材料光谱发射率测量装置，其特征在于：包括变温标准黑体及其温控系统、样品加热炉、两个水冷可变光栏、红外光学偶合系统、红外傅立叶光谱仪、计算机测试系统；红外光学耦合系统由一个旋转反射镜、一个离轴抛物面镜和一个平面反射镜组成；

变温标准黑体和样品加热炉放置在旋转反射镜两侧，样品加热炉出口中心和变温标准黑体出口中心相对，样品加热炉出口中心和变温标准黑体出口中心到旋转反射镜中心的距离相等；样品加热炉出口中心、变温标准黑体出口中心以及旋转反射镜中心在一条直线上；

第一水冷可变光栏放置在距变温标准黑体出口L处，且第一水冷可变光栏口径小于变温标准黑体的输出口径；第二水冷可变光栏放置在样品加热炉出口L处，第二水冷可变光栏口径等于第一水冷可变光栏口径；

变温标准黑体发出的红外辐射信号经第一水冷可变光栏限束后，或者样品加热炉发出的红外辐射信号经第二水冷可变光栏限束后，打到旋转反射镜上，旋转反射镜将该信号反射后，由离轴抛物面镜接收，离轴抛物面镜将该信号转换为平行光，再经平面反射镜反射，由红外傅立叶光谱仪接收；红外傅立叶光谱仪将信号传递给计算机测试系统。

2.一种利用权利要求1所述装置进行高精度红外样品材料光谱发射率测量的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将旋转反射镜反射面朝向变温标准黑体；通过变温标准黑体温控系统将变温标准黑体升温至待测温度点并稳定；由红外傅立叶光谱仪测量红外光学耦合系统传递的红外信号，红外信号起始波长λ₁，截至波长λ_m，测量次数n，红外傅立叶光谱仪输出一组输出电压信号V_b1(λ_i)、V_b2(λ_i)，……，V_bn(λ_i)至计算机测试系统，其中i＝1，2，……，m；

步骤2：将旋转反射镜反射面朝向样品加热炉；测试样品材料安装在样品加热炉上，打开样品加热炉加热至待测温度点并稳定；由红外傅立叶光谱仪测量红外光学耦合系统传递的红外信号，红外信号起始波长λ₁，截至波长λ_m，测量次数n，红外傅立叶光谱仪输出一组输出电压信号V₁(λ_i)、V₂(λ_i)，……，V_n(λ_i)至计算机测试系统，其中i＝1，2，……，m；

步骤3：根据下列公式计算样品材料的发射率：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_b\left({\mathrm{\λ}}_i\right)=V_{b1}\left({\mathrm{\λ}}_i\right)+V_{b2}\left({\mathrm{\λ}}_i\right)+......+V_{\mathrm{bn}}\left({\mathrm{\λ}}_i\right)\\ V\left({\mathrm{\λ}}_i\right)=V_1\left({\mathrm{\λ}}_i\right)+V_2\left({\mathrm{\λ}}_i\right)+......+V_n\left({\mathrm{\λ}}_i\right)\\ \mathrm{\ϵ}\left({\mathrm{\λ}}_i\right)=V\left({\mathrm{\λ}}_i\right)/V_b\left({\mathrm{\λ}}_i\right)\·{\mathrm{\ϵ}}_b\end{array}\right.$

其中V_b(λ_i)为变温标准黑体在波长λ_i的n次测量输出电压信号值之和；V(λ_i)为样品加热炉在波长λ_i的n次测量输出电压信号值之和；ε_b为变温标准黑体的发射率，ε(λ_i)为待测样品材料的发射率。