[发明专利]高温半透明材料折射率及吸收系数反演测量装置及方法

摘要

高温半透明材料折射率及吸收系数反演测量装置及方法，属于高温半透明材料热物性测量技术领域。本发明是为了解决现有半透明材料高温热辐射物性的测量方法复杂并且测量结果不可靠的问题。装置包括傅立叶红外光谱分析仪、数据处理系统、黑体光源B、旋转平台、黑体辐射加热器、黑体光源A、真空罐和循环水恒温套筒；方法首先通过实验测得指定实验温度下待测半透明材料指定方向上的光谱方向表观发射率，在此基础上通过逆问题求解方法计算得到该材料的光谱折射率和光谱吸收系数，利用该方法可以精确地计算出待测材料的光谱折射率和光谱吸收系数。本发明用于高温半透明材料的热物性测量。

主权项

一种高温半透明材料折射率及吸收系数反演测量方法，该方法基于高温半透明材料折射率及吸收系数反演测量装置实现，所述的高温半透明材料折射率及吸收系数反演测量装置包括傅立叶红外光谱分析仪(1)、数据处理系统(2)、黑体光源B(3)、旋转平台(4)、黑体辐射加热器(5)、黑体光源A(6)、真空罐(7)和循环水恒温套筒(8)，循环水恒温套筒(8)套接于真空罐(7)的外表面，并且循环水恒温套筒(8)和真空罐(7)相应面侧壁上并排设置第一测量窗口(9)和第二测量窗口(10)，黑体光源B(3)、旋转平台(4)和黑体光源A(6)设置于真空罐(7)内部，旋转平台(4)的一侧相对于第一测量窗口(9)，旋转平台(4)的另一侧设置黑体光源A(6)，旋转平台(4)用于放置待测试件(11)和黑体辐射加热器(5)，黑体辐射加热器(5)用于对待测试件(11)进行辐射加热；黑体光源A(6)的光轴通过第一测量窗口(9)的中心；黑体光源B(3)的光轴通过第二测量窗口(10)的中心；傅立叶红外光谱分析仪(1)用于采集第一测量窗口(9)或第二测量窗口(10)射出的光谱辐射信号；傅立叶红外光谱分析仪(1)的采集信号传输给数据处理系统(2)；其特征在于，所述的方法包括以下步骤：步骤一：使傅立叶红外光谱分析仪(1)对应于第一测量窗口(9)，开启黑体光源A(6)，采用傅立叶红外光谱分析仪(1)采集黑体光源A的光谱辐射信号S1；步骤二：将待测试件(11)放置于旋转平台(4)上，转动旋转平台(4)，使待测试件(11)的测量表面法线方向与黑体光源A(6)中线方向的夹角α为0°；开启黑体辐射加热器(5)，将待测试件(11)加热至预设定温度T并保持温度稳定，然后采用傅立叶红外光谱分析仪(1)采集第一数据S2，第一数据S2由黑体光源A的光谱辐射信号S1透过待测试件(11)之后剩余的信号S1′、待测试件(11)的光谱辐射信号Ss和黑体辐射加热器(5)的光谱辐射信号透过待测试件(11)之后剩余的信号S4′组成；步骤三：关闭黑体光源A(6)，并保持待测试件(11)温度稳定，再采用傅立叶红外光谱分析仪(1)采集第二数据S3，第二数据S3由黑体辐射加热器(5)的光谱辐射信号透过待测试件(11)之后剩余的信号S4′和待测试件(11)的光谱辐射信号Ss组成；步骤四：取出待测试件(11)，保持黑体辐射加热器(5)当前加热温度不变，采用傅立叶红外光谱分析仪(1)采集黑体辐射加热器(5)的光谱辐射信号S4；然后关闭黑体辐射加热器(5)；步骤五：开启黑体光源B(3)，使其达到预定温度并保持稳定后，移动使傅立叶红外光谱分析仪(1)对应于第二测量窗口(10)，采集黑体光源B(3)的光谱辐射信号Sb；步骤六：由上述测量获得的所有光谱辐射信号数据，计算获得待测试件(11)的测量表面法线方向与黑体光源A(6)中线方向夹角α为0°时，待测试件(11)的光谱方向表观发射率测量值ε(λ,α1)；式中λ为光源的光谱波长，α1＝0°；步骤七：重复步骤一至步骤六，并依次使待测试件(11)的测量表面法线方向与黑体光源A(6)中线方向的夹角α为20°、40°、60°及80°，并依次计算获得待测试件(11)的光谱方向表观发射率测量值ε(λ,α2)、ε(λ,α3)、ε(λ,α4)和ε(λ,α5)；式中α2＝20°，α3＝40°，α4＝60°，α5＝80°；步骤八：根据辐射传输逆问题求解算法，设定待测试件(11)的光谱折射率为n′λ，光谱吸收系数为κ′λ，根据菲涅尔定律进行计算，得到与测量方向夹角α相对应的待测试件(11)的光谱方向表观发射率估计值ε′(λ,α1)、ε′(λ,α2)、ε′(λ,α3)、ε′(λ,α4)及ε′(λ,α5)；步骤九：根据待测试件(11)的光谱方向表观发射率测量值ε(λ,α2)、ε(λ,α3)、ε(λ,α4)和ε(λ,α5)及待测试件(11)的光谱方向表观发射率估计值ε′(λ,α1)、ε′(λ,α2)、ε′(λ,α3)、ε′(λ,α4)和ε′(λ,α5)，由目标函数计算公式计算获得目标函数值Fobj；Fobj=Σi=15[ϵ′(λ,αi)-ϵ(λ,αi)ϵ(λ,αi)]2;]]>步骤十：判断目标函数值Fobj是否小于设定阈值ξ，若否，返回执行步骤八和步骤九，根据逆问题算法更新待测试件(11)的光谱折射率n′λ和光谱吸收系数κ′λ，并重新进行计算获得目标函数值Fobj，直至当前目标函数值Fobj小于设定阈值ξ，将待测试件(11)的当前光谱折射率n′λ作为待测试件(11)的真实光谱折射率nλ，将待测试件(11)的当前光谱吸收系数κ′λ作为待测试件(11)的真实光谱吸收系数κλ，完成高温半透明材料折射率及吸收系数的测量。