[发明专利]一种用于空间站无容器材料实验的双色红外温度标定方法

说明书

本发明涉及一种用于空间站无容器材料实验的双色红外温度标定方法，获取空间站无容器材料实验的温度变化。在预设某一双色红外坡度下测量的样品加热温度‑时间曲线，然后标出温度‑时间曲线上的特征温度，根据单色辐出度比值不变关系，将双色红外坡度、特征温度以及通过相图或热分析实验得到的该相变温度代入建立的等式关系。解出双色红外坡度的修正值，将此修正值回代到等式关系中，并将获得的所有温度数据逐个代入，解出对应的标定温度。至此，得到了修正后的双色红外坡度及标定的温度‑时间曲线。本发明提出的方法不需借助热电偶，不需要预先构建相同环境下的模型并拟合参数，且标定的双色红外温度在特征温度处可控制在较小的误差范围内。

技术领域

本发明属于空间站无容器材料实验领域，涉及一种用于空间站无容器材料实验的双色红外温度标定方法。

背景技术

对高温物体的温度测定通常有两种方法，即热电偶测温和红外测温。前者的原理是基于热电效应，即温度变化引起电势发生变化；后者的原理则基于Planck辐射定律，任何温度不为绝对零度的物体都在向外辐射能量，这些能量绝大部分集中于红外线区域，且其辐射特性与辐射波长及温度相关，据此可以测定被测物体的温度。双色红外测温方法是通过两个相邻波段的辐射能量之比来确定温度，减少了对辐射能量绝对值的依赖，在被测物较小不能充满视场、被测物单色红外发射率低、被测物与双色红外测温设备之间有玻璃视窗遮挡等情况下，使用双色红外测温更具有优势。

高温物体如合金等通常具有较高活性，在常规铸造条件下，高温物体与容器壁的接触会带来杂质，对其物理化学过程如凝固等过程造成影响。而空间环境具有微重力、无容器及高真空的特征，这样的环境为研究合金深过冷快速凝固机理提供了更为接近本质的便利条件。2022年11月，随着“梦天”舱与“天和”核心舱的成功对接，中国空间站完成整体建造，在此之前，位于中国空间站“天和”核心舱内的无容器材料实验柜已开展了部分无容器材料实验。

空间站无容器材料实验具有如下限制：

(1)受限于卫星通讯及安全考量，单次空间站无容器材料实验时长仅有30-50分钟(图2给出了空间站无容器材料实验流程)，这导致在同一次无容器材料实验中无法对样品进行多次加热，因此同一次空间站无容器材料实验不能得到多个双色红外坡度下测量的完整加热温度数据；

(2)由于数据传输及处理耗时，空间站无容器材料实验详细的温度数据通常需要在实验完成12小时以后才能完全下载到地面服务器。

(3)目前，空间站无容器材料实验只能依靠多次改变参数进行测试，以此来确定准确的双色红外坡度，若考虑以0.01的间隔在0.91～1.15的区间内改变双色红外坡度，则需要改变数十次才能得到较准确的双色红外坡度，而受限于空间站无容器材料实验每盒样品29颗数量的限制，若依靠该方法对双色红外温度进行标定，则会浪费大量的空间站无容器材料实验资源。

以上因素导致无法快速确定双色红外测量用的坡度，从而导致在实验过程中无法根据实时下传的粗略温度数据指导实验操作，极大降低了空间站无容器材料实验的效率。综上，对空间站无容器材料实验获得的双色红外温度进行事后标定、对双色红外坡度进行快速预测是十分必要的。

专利号为CN102620833B(以下称“专利1”)的发明公开了一种红外测温方法和红外测温系统，其可以对双色红外温度进行标定，但只适用于有表面覆盖层或与窗口接触的被测物的情形。其特征在于通过用热电偶测量表面覆盖层或窗口的温度，将之与使用红外测温装置得到的表面覆盖层或窗口的辐射强度对应的温度进行比较，若在误差范围内则认为红外测温装置测量的被测物的辐射强度对应的温度为被测物的实际温度。而在空间站无容器材料实验中，被测样品处于静电悬浮状态，静电场的存在会导致热电偶工作失效，且样品不与任何其它装置接触，这也就导致观察窗口的温度几乎不变，即窗口的辐射强度与温度的对应关系无法与待测样品的辐射强度与温度的对应关系相关联。