本发明专利技术公开了一种负温及常温不透明材料发射率测量装置。它包括，真空低温仓、低温恒温循环系统、光学系统、电控平移台和计算机控制与测量系统。其测量原理为利用探测器将被测目标与相同温度下的等温黑体的辐射能量进行测量和比较，从而得到材料在不同光谱下的光谱发射率。本发明专利技术可以实现7至13μm典型光谱范围、‑50℃～50℃温度范围的材料法向光谱发射率测量。所述光学系统和测量系统均处在真空低温环境中，避免了大气衰减对发射率测量影响，拓展了材料发射率测量的下限，提高了测量结果的不确定度。
【技术实现步骤摘要】
一种负温及常温不透明材料发射率测量装置
本专利技术涉及材料热物性参数
，特别涉及一种负温及常温不透明材料发射率测量装置，适用于负温及常温下金属、非金属等不透明材料表面法向光谱发射率的测量。
技术介绍
材料光谱发射率是材料的重要热物性参数之一，表征了材料表面光谱辐射能量辐射能力。工业应用和科学研究中，辐射测温的方法得到了越发广泛的应用，为了准确的测量材料表面的温度，必须要知道被测表面发射率。此外，在武器装备研制中，评价材料隐身性能的重要指标之一便是其光谱发射率特性。材料光谱发射率是辐射测温、辐射换热分析、材料隐身性能评价的重要基础物性数据。然而，光谱发射率与负温及常温温材料光谱发射率的测量问题，除了与材料的组分、温度、波长范围、表面状态等因素相关外，受环境温度及环境辐射的影响非常大，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、反射法、能量法等等。然而大都是针对中高温条件下的材料发射率进行的研究，负温及常温下材料光谱发射率测量技术研究相对较少，比较典型的有德国联邦物理技术研究院(PTB)和日本国家计量研究所(NRIJ)。2000年，日本NRIJ研制出基于傅里叶变换红外光谱仪的发射率测量装置，装置测量的光谱范围为5μm～12μm，温度范围为-20℃～100℃，测量时间约为几秒。如2008年，德国PTB研制出一种用于工业校准的发射率测量装置，该装置是通过高质量黑体与样品的辐射进行比较来测量材料光谱发射率，其中考虑了环境辐射与光谱仪本身固有辐射。测量温度范围为80℃～400℃，波长范围为4μm～40μm。2009年PTB又研制出一种在真空条件下测量发射率的装置，该装置测量温度范围为0℃～430℃，测量波长范围为1μm～1000μm。负温及常温附近测量发射率时，由于受环境辐射的影响比较大，目标辐射和背景辐射差别不大，实现其测量的难度也比较大，在此温度范围的发射率测量问题尚未得到很好的解决。针对以上问题，专利技术了一种负温及常温不透明材料发射率测量装置，对于负温及常温材料光谱发射率测量具有重要的实际意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种负温及常温不透明材料发射率测量装置。本专利技术是通过以下技术方案实现的。本专利技术提出的一种负温及常温不透明材料发射率测量装置，包括：真空低温仓、低温恒温循环系统、光学系统、电控平移台和计算机控制与测量系统。所述真空低温仓是为所述负温及常温不透明材料发射率测量装置提供真空低温环境，避免环境对于发射率测量的影响。真空低温仓包括仓体、抽真空系统和液氮制冷系统。所述抽真空系统和制冷系统分别与仓体连接。抽真空系统的作用是确保仓体内真空度不低于10-3Pa；所述制冷系统是对仓体内部制冷，确保仓体内部温度不高于100K。所述制冷系统为液氮制冷系统。所述低温恒温循环系统包括低温恒温槽、低温参考黑体、低温样品炉、低温泵及管路系统。低温恒温循环系统的作用是实现低温参考黑体和低温样品炉温度的调节和控制，其工作温度范围是-50℃～50℃。所述电控平移台固定在仓体内，低温参考黑体、低温样品炉固定在电控平移台上，待测样品固定在低温样品炉内；低温样品炉和低温泵位于仓体外；低温恒温槽、低温参考黑体、低温样品炉和低温泵通过管路系统实现连接；低温泵固定在管路系统上，其作用是使管路系统内部的液体流动起来；低温恒温槽的作用是通过低温泵及管路系统使参考黑体和低温样品炉的温度达到指定温度。所述电控平移台的作用是在计算机控制与测量系统的控制下进行位移，实现低温参考黑体和低温样品炉的位置切换。所述管路系统内部的液体为酒精。酒精经过管路系统进入低温参考黑体和低温样品炉中，实现对参考黑体和待测样品温度的控制和调节。所述低温恒温槽的槽内流体温度采用标准铂电阻进行测量和监视。所述光学系统用于低温参考黑体和待测样品的光谱辐射能量的传输、处理及测量。光学系统包括红外系列红外滤光片单元、斩波器、红外光学系统、红外探测器、锁相放大器、可变光阑Ⅰ和可变光阑II。所述可变光阑Ⅰ和可变光阑II的作用是消除输入光信号中的环境辐射光对测量结果的影响。所述斩波器的作用是对输入光信号进行调制，将直流光信号变为交变光信号。所述红外光学系统的作用是对输入光信号进行聚焦和改变光路，使输出光信号通过红外系列红外滤光片单元后进入红外探测器。所述红外系列红外滤光片单元的作用是对输入光信息号起到过滤作用，只保留指定长度的光波。所述红外探测器的作用是将输入光信号转变为电信号并输出至锁相放大器。所述锁相放大器的作用是对输入电信号进行相位解调与信号采集处理，并传输出给计算机控制与测量系统。可变光阑Ⅰ固定在低温参考黑体的一侧，并与低温参考黑体同轴；可变光阑II固定在待测样品的一侧，并于待测样品同轴。斩波器、红外光学系统、红外系列红外滤光片单元、红外探测器和锁相放大器从左向右依次固定在仓体内，并同轴。所述计算机控制与测量系统位于固定在仓体外部，计算机控制与测量系统分别与电控平移台、斩波器、红外系列红外滤光片单元和锁相放大器连接计算机控制与测量系统的作用是：①控制电控平移台的位置移动；②向斩波器发送调制信号，使斩波器对输入光信号进行调制，将直流光信号变为交变光信号；③控制红外系列红外滤光片单元转到指定位置，使经过红外系列红外滤光片单元过滤的光波，只保留指定长度的光波；④控制锁相放大器对输入电信号进行相位解调与信号采集处理，并接收锁相放大器的输出数据；⑤对控制锁相放大器的输出结果进行处理，得到待测样品的发射率。所述仓体上开有法兰密封接口，用于电气控制连线以及管路系统进出仓体使用。所述负温及常温不透明材料发射率测量装置的工作过程为：第1步：安装并确保负温及常温不透明材料发射率测量装置的电气线路连接正常。第2步：打开真空低温仓仓门，将待测样品固定在低温样品炉内，安装妥当后开启低温恒温槽电源，设定低温恒温槽的温度为T，并预热。其中，T∈(-50,50)℃。第3步：关闭真空低温仓仓门，启动抽真空系统和液氮制冷系统，使得光学系统处在真空度在10-3Pa、温度在100K以下的真空低温环境中。第4步：调整电控平移台的位置，使可变光阑Ⅰ与斩波器、红外光学系统、红外系列红外滤光片单元、红外探测器以及锁相放大器同轴。第5步：通过设置斩波器频率，调整锁相放大器，使锁相放大器相位稳定在0°。第6步：将红外系列红外滤光片单元调节至指定波长，用符号λ表示，λ∈[7,13]μm，此时低温参考黑体的光谱辐射能量经过可变光阑Ⅰ、斩波器、红外光学系统、红外系列红外滤光片单元、红外探测器到达锁相放大器；锁相放大器对输入电信号进行相位解调与信号采集处理，并输出给计算机控制与测量系统。第7步：计算机控制与测量系统得到锁相放大器发送来的低温参考黑体的测量信号值。第8步：调整电控平移台的位置，使可变光阑II与斩波器、红外光学系统、红外系列红外滤光片单元、红外探测器以及锁相放大器同轴。第9步：此时，待测样品的光谱辐射能量经过可变光阑II、斩波器、红外光学系统、红外系列红外滤光片单元、红外探测器到达锁相放大器；锁相放大器对输入电信号进行相位解调与信号采集处理，并传输出给计算机控制与测量系统。第本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种负温及常温不透明材料发射率测量装置，其特征在于：其包括：真空低温仓、低温恒温循环系统、光学系统、电控平移台(17)和计算机控制与测量系统(12)；所述真空低温仓是为所述负温及常温不透明材料发射率测量装置提供真空低温环境，避免环境对于发射率测量的影响；真空低温仓包括仓体(1)、抽真空系统(2)和液氮制冷系统(3)；所述抽真空系统(2)和制冷系统(3)分别与仓体(1)连接；抽真空系统(2)的作用是确保仓体(1)内真空度不低于10‑3Pa；所述制冷系统(3)是对仓体(1)内部制冷，确保仓体内部温度不高于100K；所述低温恒温循环系统包括低温恒温槽(4)、低温参考黑体(5)、低温样品炉(6)、低温泵(7)及管路系统(8)；低温恒温循环系统的作用是实现低温参考黑体(5)和低温样品炉(6)温度的调节和控制，其工作温度范围是‑50℃～50℃；所述电控平移台(17)固定在仓体(1)内，低温参考黑体(5)、低温样品炉(6)固定在电控平移台(17)上，待测样品(16)固定在低温样品炉(6)内；低温样品炉(6)和低温泵(7)位于仓体(1)外；低温恒温槽(4)、低温参考黑体(5)、低温样品炉(6)和低温泵(7)通过管路系统(8)实现连接；低温泵(7)固定在管路系统(8)上，其作用是使管路系统(8)内部的液体流动起来；低温恒温槽(4)的作用是通过低温泵(7)及管路系统(8)使参考黑体(5)和低温样品炉(6)的温度达到指定温度；所述电控平移台(17)的作用是在计算机控制与测量系统(12)的控制下进行位移，实现低温参考黑体(5)和低温样品炉(6)的位置切换；所述管路系统(8)内部的液体为酒精；酒精经过管路系统(8)进入低温参考黑体(5)和低温样品炉(6)中，实现对参考黑体(5)和待测样品(16)温度的控制和调节；所述低温恒温槽(4)的槽内流体温度采用标准铂电阻进行测量和监视；所述光学系统用于低温参考黑体(5)和待测样品(16)的光谱辐射能量的传输、处理及测量；光学系统包括红外系列红外滤光片单元(9)、斩波器(10)、红外光学系统(20)、红外探测器(11)、锁相放大器(13)、可变光阑Ⅰ(18)和可变光阑II(19)；所述可变光阑Ⅰ(18)和可变光阑II(19)的作用是消除输入光信号中的环境辐射光对测量结果的影响；所述斩波器(10)的作用是对输入光信号进行调制，将直流光信号变为交变光信号；所述红外光学系统(20)的作用是对输入光信号进行聚焦和改变光路，使输出光信号通过红外系列红外滤光片单元(9)后进入红外探测器(11)；所述红外系列红外滤光片单元(9)的作用是对输入光信息号起到过滤作用，只保留指定长度的光波；所述红外探测器(11)的作用是将输入光信号转变为电信号并输出至锁相放大器(13)；所述锁相放大器(13)的作用是对输入电信号进行相位解调与信号采集处理，并传输出给计算机控制与测量系统(12)；可变光阑Ⅰ(18)固定在低温参考黑体(5)的一侧，并与低温参考黑体(5)同轴；可变光阑II(19)固定在待测样品(16)的一侧，并于待测样品(16)同轴；斩波器(10)、红外光学系统(20)、红外系列红外滤光片单元(9)、红外探测器(11)和锁相放大器(13)从左向右依次固定在仓体(1)内，并同轴；所述计算机控制与测量系统(12)位于固定在仓体(1)外部，计算机控制与测量系统(12)分别与电控平移台(17)、斩波器(10)、红外系列红外滤光片单元(9)和锁相放大器(13)连接计算机控制与测量系统(12)的作用是：①控制电控平移台(17)的位置移动；②向斩波器(10)发送调制信号，使斩波器(10)对输入光信号进行调制，将直流光信号变为交变光信号；③控制红外系列红外滤光片单元(9)转到指定位置，使经过红外系列红外滤光片单元(9)过滤的光波，只保留指定长度的光波；④控制锁相放大器(13)对输入电信号进行相位解调与信号采集处理，并接收锁相放大器(13)的输出数据；⑤对控制锁相放大器(13)的输出结果进行处理，得到待测样品(16)的发射率。...
【技术特征摘要】
2015.12.10 CN 20151091728111.一种负温及常温不透明材料发射率测量装置，其特征在于：其包括：真空低温仓、低温恒温循环系统、光学系统、电控平移台(17)和计算机控制与测量系统(12)；所述真空低温仓是为所述负温及常温不透明材料发射率测量装置提供真空低温环境，避免环境对于发射率测量的影响；真空低温仓包括仓体(1)、抽真空系统(2)和液氮制冷系统(3)；所述抽真空系统(2)和制冷系统(3)分别与仓体(1)连接；抽真空系统(2)的作用是确保仓体(1)内真空度不低于10-3Pa；所述制冷系统(3)是对仓体(1)内部制冷，确保仓体内部温度不高于100K；所述低温恒温循环系统包括低温恒温槽(4)、低温参考黑体(5)、低温样品炉(6)、低温泵(7)及管路系统(8)；低温恒温循环系统的作用是实现低温参考黑体(5)和低温样品炉(6)温度的调节和控制，其工作温度范围是-50℃～50℃；所述电控平移台(17)固定在仓体(1)内，低温参考黑体(5)、低温样品炉(6)固定在电控平移台(17)上，待测样品(16)固定在低温样品炉(6)内；低温泵(7)位于仓体(1)外；低温恒温槽(4)、低温参考黑体(5)、低温样品炉(6)和低温泵(7)通过管路系统(8)实现连接；低温泵(7)固定在管路系统(8)上，其作用是使管路系统(8)内部的液体流动起来；低温恒温槽(4)的作用是通过低温泵(7)及管路系统(8)使参考黑体(5)和低温样品炉(6)的温度达到指定温度；所述电控平移台(17)的作用是在计算机控制与测量系统(12)的控制下进行位移，实现低温参考黑体(5)和低温样品炉(6)的位置切换；所述管路系统(8)内部的液体为酒精；酒精经过管路系统(8)进入低温参考黑体(5)和低温样品炉(6)中，实现对参考黑体(5)和待测样品(16)温度的控制和调节；所述低温恒温槽(4)的槽内流体温度采用标准铂电阻进行测量和监视；所述光学系统用于低温参考黑体(5)和待测样品(16)的光谱辐射能量的传输、处理及测量；光学系统包括红外系列红外滤光片单元(9)、斩波器(10)、红外光学系统(20)、红外探测器(11)、锁相放大器(13)、可变光阑Ⅰ(18)和可变光阑Ⅱ(19)；所述可变光阑Ⅰ(18)和可变光阑Ⅱ(19)的作用是消除输入光信号中的环境辐射光对测量结果的影响；所述斩波器(10)的作用是对输入光信号进行调制，将直流光信号变为交变光信号；所述红外光学系统(20)的作用是对输入光信号进行聚焦和改变光路，使输出光信号通过红外系列红外滤光片单元(9)后进入红外探测器(11)；所述红外系列红外滤光片单元(9)的作用是对输入光信号起到过滤作用，只保留指定长度的光波；所述红外探测器(11)的作用是将输入光信号转变为电信号并输出至锁相放大器(13)；所述锁相放大器(13)的作用是对输入电信号进行相位解调与信号采集处理，并传输出给计算机控制与测量系统(12)；可变光阑Ⅰ(18)固定在低温参考黑体(5)的一侧，并与低温参考黑体(5)同轴；可变光阑Ⅱ(19)固定在待测样品(16)的一侧，并于待测样品(16)同轴；斩波器(10)、红外光学系统(20)、红外系列红外滤光片单元(9)、红外探测器(11)和锁相放大器(13)从左向右依次固定在仓体(1)内，并同轴；所述计算机控制与测量系统(12)位于固定在仓体(1)外部，计算机控制与测量系统(12)分别与电控平移台(17)、斩波器(10)、红外系列红外滤光片单元(9)和锁相放大器(13)连接，计算机控制与测量系统(12)的作用是：①控制电控平移台(17)的位置移动；②向斩波器(10)发送调制信号，使斩波器(10)对输入光信号进行调制，将直流光信号变为交变光信号；③控制红外系列红外滤光片单元(9)转到指定位置，使经过红外系列红外滤光片单元(9)过滤的光波，只保留指定长度的光波；④控制锁相放大器(13)对输入电...
【专利技术属性】
技术研发人员：张术坤，张学聪，张岚，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。