[发明专利]高温材料发射率测量方法和系统

说明书

技术领域

本发明属于材料热物性参数测量技术领域，更具体地涉及一种利用能量比较法进行材料高温下发射率测量的方法。

背景技术

目前在高温材料发射率研究领域，多采用大电流通电加热的方式，不适用于复合材料、高温陶瓷等导电性能不佳的材料发射率测量，且温度测量上限难以在保证样品表面较好的温场均匀性的同时达到2000K以上的温度。在测量方法上采用测量绝对能量的量热法、在标准参考黑体和被测样品间切换测量的能量比较法等。量热法测量误差来源多，实现精确测量对设备要求高。利用标准参考黑体切换测量的能量比较法难以保证两次测量的同步性，在样品温度不稳定时将带来较大的测量误差。

为此，本发明提出了一种新的高温材料发射率测量方法，以及用于实现该方法的系统。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种高温材料发射率测量方法，能够方便地测量被测材料高温下的全波段发射率和光谱发射率。

本发明的第二个目的是提供一种高温材料发射率测量系统，以实现上述方法。

根据本发明的第一个目的，高温材料发射率测量方法包括以下步骤：

步骤1：将被测样品加工成圆柱形，并在圆柱一侧端面开孔，孔的几何尺寸满足形成黑体空腔效应条件；

步骤2：将被测样品竖直置于真空仓中固定，开孔的一端朝上，使被测样品在测试过程中始终保持在水平面内匀速转动；

步骤3：利用辐射能量对真空仓中的被测样品进行加热，将样品逐渐加热至所需的温度并保持；

步骤4：将被测样品顶部圆端面的红外辐射能量反射到显微成像装置中，通过成像测量装置对被测样品顶端表面及其上的黑体空腔进行成像；

步骤5：对被测样品及黑体空腔的辐射能量进行红外图像采集，将红外图像中每个像素点的灰度值代入数学模型计算出被测样品每个空间点的红外辐射能量；

步骤6：将红外图像中的材料表面辐射能量与黑体空腔辐射能量相比，计算出被测材料在当前测量波长下的发射率。

进一步地，上述方法还可以包括步骤7：将不同透过特性的窄带滤光片切入到成像光学系统中，重复步骤5到6，即可测得在当前温度下不同波长下的材料光谱发射率。

进一步地，上述方法还可以包括步骤8：改变步骤3中被测样品的温度，重复步骤4到6，即可测得不同温度下的材料光谱发射率。

通过应用该方法，采用整体式的能量比较法进行样品材料的高温发射率测量，简化了操作过程，同时减少了测量不确定度来源，且将传统的只适用于导电材料的大电流加热方法改进为适用于各种材料的辐射加热方式，拓展了高温材料发射率测量技术的应用领域。

根据本发明的第二个目的，高温材料发射率测量系统包括真空仓、样品测试平台、大功率辐射源、扩束整形均束装置、旋转反射镜、成像测量装置、温度测量装置。其中：

所述真空仓一侧设有允许辐射能量入射的窗口，与入射窗口垂直的另一侧设有允许辐射能量出射的测试窗口。

所述样品测试平台位于真空仓内，用于固定被测样品，并且可以在水平面内转动被测样品。样品测试平台可采用耐高温、低导热的材料做夹具固定被测样品，在保证固定可靠的前提下使夹具和被测材料的接触面积尽可能小，这样可以保证较少的热传导损耗，也有利于提供样品表面的温场均匀性。样品测试平台还可以根据需要在水平和垂直两个方向微调，在测试时沿垂直方向转动，转动速度可调。

所述大功率辐射源用于向真空仓内的被测样品发射辐射加热能量。

所述扩束整形均束装置用于对大功率辐射源出射的热量整形，使能量束刚好覆盖被测样品投影面积，且在空间上强度分布均匀；这样不仅能够对导电和非导电材料都能加热，且样品温升快，表面温度梯度小。

所述旋转反射镜用于反射被测样品的红外辐射能量。旋转反射镜放置在测试窗口出口处，允许在真空仓周围不同方向放置不同波段的辐射能量采集系统。通过旋转反射镜旋转不同的角度将目标辐射能量入射到不同的辐射能量采集系统中。

所述成像测量装置具有红外焦平面阵列，用于接收被测样品的红外辐射能量，形成红外测试图像。成像测量装置采用红外焦平面阵列接收样品的红外辐射能量，形成红外测试图像。可以从每个像素点的灰度信息按照数学模型计算出样品空间上对应点的辐射能量信息。

所述温度测量装置用于检测样品加热过程中的温度，并反馈到大功率辐射源以调整其输出功率，控制样品温度。