[发明专利]一种基于离轴椭球面反射镜的低温光谱发射率测量装置

说明书

本发明公开了一种基于离轴椭球面反射镜的低温光谱发射率测量装置，其包括设置于真空腔内的样品炉、黑体、离轴椭球面反射镜和反射镜屏蔽层，离轴椭球面反射镜和反射镜屏蔽层共同用于将待测样品或黑体发出的辐射信号汇聚到傅立叶红外光谱仪的入射焦点，通过旋转离轴椭球面反射镜实现黑体信号与待测样品信号之间的切换。本发明在测量过程中只需要旋转离轴椭球面反射镜就可以实现待测样品信号与黑体信号之间的切换，使得测量过程操作更为简便，系统重复性更高，使用寿命更长。

技术领域

本发明属于辐射测量和遥感技术领域，具体涉及一种基于离轴椭球面反射镜的低温光谱发射率测量装置。

背景技术

光谱发射率是材料的重要热物性参数，表征了材料对外辐射能力的大小。准确的光谱发射率数据在辐射测温、遥感、航空航天等重要领域具有重要的应用价值。在测量过程中，材料的光谱发射率受温度、波长、表面粗糙度等多种因素的影响，因而难以准确测量。相比中高温发射率测量，材料的低温光谱发射率测量更加艰难。当温度较低时，材料向空间的辐射量呈几何倍下降，因而周围环境的背景辐射影响更加明显，测量装置信噪比低，测量误差大。目前国际上尚未有相关的测量标准，能够测量材料低温光谱发射率的装置也很少。根据发射率的定义，测量材料的发射率需要分别测量在同一条件下目标物体和标准黑体的辐射量，通过对比得到材料的发射率。目前国内外的低温光谱发射率测量装置主要有两种方式实现目标和标准黑体的切换：1、通过直线位移台移动黑体和样品炉实现两者之间的切换，由于低温发射率测量装置必须处于真空低温环境，因此在该环境下实现两者之间的位置切换要求装置必须具有足够的空间，测量装置体积较大，造价昂贵，电机承重较大，设备温场分布易受到影响，真空设备易变形，使用寿命短。2、光路由一个椭球面反射镜和一个平面镜组成，或者由两个离轴抛物面反射镜组成。通过平面镜或者抛物面反射镜的切换和旋转实现两者之间的切换，利用这种方法，光信号要经过两次反射才能进入最终的探测装置，相比第一种方法多了一个干扰源。低温辐射信号本身很弱，引入任何一个干扰源都会增加系统的测量不确定度。

发明内容

本发明的目的在于克服目前低温发射率测量系统中样品、黑体切换难度大，而引入干扰源会增大测量不确定度的问题，提供了一种基于离轴椭球面反射镜的低温光谱发射率测量装置。

本发明为实现上述目的采用如下技术方案，一种基于离轴椭球面反射镜的低温光谱发射率测量装置，其特征在于包括设置于真空腔内的样品炉、黑体、离轴椭球面反射镜和反射镜屏蔽层，待测样品位于样品炉内且该待测样品处于椭圆A的焦点A处，黑体处于椭圆B的焦点A’处，椭圆A和椭圆B共用焦点B(B’)，该焦点B处为傅立叶红外光谱仪的入射焦点，椭圆A与椭圆B长轴之间的夹角为60°且椭圆A和椭圆B的离心率均为0.866，离轴椭球面反射镜的旋转中心位于椭圆A与椭圆B的交点C处，该离轴椭球面反射的镜外侧设有反射镜屏蔽层，离轴椭球面反射镜和反射镜屏蔽层共同用于将待测样品或黑体发出的辐射信号汇聚到傅立叶红外光谱仪的入射焦点，通过旋转离轴椭球面反射镜实现黑体信号与待测样品信号之间的切换。

优选的，所述离轴椭球面反射镜横切面满足离心率e＝0.866的椭圆方程，离轴椭球面反射镜采用低膨胀系数的SiC材料研磨制作，旋转中心在离轴椭球面反射镜的镜面中心，该离轴椭球面反射镜的镜面镀有反射金膜，通过旋转离轴椭球面反射镜实现分别将黑体或待测样品的辐射信号汇聚到傅立叶红外光谱仪的入射焦点处。

优选的，所述真空腔由304不锈钢材料制成，由机械泵和分子泵组成该真空腔的抽气系统，真空度能够达到10^-4Pa。

优选的，所述黑体采用变量程的低温黑体，其温度范围为-60～100℃。

优选的，所述样品炉由样品炉双层外壳和加热主体组成，其中样品炉双层外壳中通入低温恒温液体，通过改变低温恒温液体温度实现对待测样品的一级控温；加热主体主要由氧化铝陶瓷片及设置于氧化铝陶瓷片内的电热丝组成，通过电热丝加热实现对待测样品的二级控温。