[发明专利]一种高温材料法向光谱发射率测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及测量材料热物理参数技术领域，特别涉及一种高温材料法向光谱发射率测量系统，适用于测量高温金属、非金属材料的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，表征了材料表面的光谱辐射能力，是辐射测温与辐射换热分析的重要基础物性数据。在航空航天、石油化工、冶金、钢铁、水泥、玻璃、微电子加工等工业领域，辐射测温是解决生产环节中的高温温度在线测量与诊断的有效手段，然而材料光谱发射率的未知性是实现辐射温度准确测量的主要障碍；此外，高温状态下的光谱发射率数据，对研究光谱选择性辐射表面的材料和涂层尤为重要。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(如稳态和瞬态)、反射法(如热腔反射计法、积分球反射计法、激光偏振法)、能量法(如红外傅立叶光谱法、黑体法)、多波长法等。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)1992年，德国Lindermeir等人利用傅里叶红外光谱仪设计了一套能够同时测量物体发射率和温度(500K以下)的装置，测量的波长范围为1.3～5.4μm；2)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2～10μm、温度范围900～1400K条件下进行了试验；3)2007年，戴景民等采用傅里叶光谱仪研制了固体材料光谱发射率测量装置，光谱范围0.66～25μm，温度范围100～1500℃。

目前，基于傅里叶光谱仪的光谱发射率测量系统，尽管能够实现宽波长范围、宽温度范围的光谱发射率的高精度测量，但是价格昂贵、构造复杂。因此，针对于实际的高温测量应用需求，发展一种技术实施难度小、简单可靠的高温光谱发射率测量系统，是很有意义的工作。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是建立一种高温材料法向光谱发射率测量系统，实现0.4μm～1.7μm光谱范围、600℃～1500℃温度范围的材料法向光谱发射率测量。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种高温材料法向光谱发射率测量系统，包括：

真空加热单元，其上部设置测试样品，对测试样品下表面进行辐射加热；

水冷套筒单元，套设在所述测试样品上部，将测试样品上表面置于恒温冷环境中；

光纤传感器测量单元，设置在所述测试样品上方，测量测试样品上表面的法向光谱辐射强度；

数据采集与分析单元，与所述光纤传感器测量单元连接，依据所测得的所述测试样品上表面的法向光谱辐射强度，通过多光谱反演算法，计算其法向光谱发射率。

上述一种高温材料法向光谱发射率测量系统中，所述真空加热单元包括真空辐射加热室和与所述真空辐射加热室相连的真空泵。

上述一种高温材料法向光谱发射率测量系统中，所述水冷套筒单元包括水冷圆柱套筒，由黄铜制成，所述水冷圆柱套筒筒壁内通有循环冷水，内壁表面均匀涂有发射率不小于0.9的高发射率材料。

上述一种高温材料法向光谱发射率测量系统中，所述光纤传感器测量单元包括：

光纤保护套筒，设置在所述水冷圆柱套筒内，位于所述测试样品上方；

光阑，设置在所述光纤保护套筒底部；

光学镜头，固定在所述光阑上；

过真空光纤，与所述光学镜头耦合连接；

可见光-近红外光谱仪，分别与所述过真空光纤和数据采集与分析单元连接。

上述一种高温材料法向光谱发射率测量系统中，所述测试样品侧面设置有绝热夹板，所述绝热夹板卡在所述水冷圆柱套筒和测试样品之间。

上述一种高温材料法向光谱发射率测量系统中，所述真空辐射加热室为不锈钢制成的圆筒空腔，空腔侧壁和底面均设置有红外辐射加热器件，空腔顶面具有开口，所述测试样品设置在所述开口处。

上述一种高温材料法向光谱发射率测量系统中，所述红外辐射加热器件为硅钼棒或硅碳棒，其工作温度上限为1600℃。

上述一种高温材料法向光谱发射率测量系统中，所述光纤传感器测量单元采用高温黑体炉进行光谱辐射强度测量响应的离线定标，定标后的光纤传感器测量单元用于在线获得所述测试样品在可见光-近红外光谱范围内的绝对光谱辐射强度。