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。本发明专利技术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。本发明专利技术用于高温半透明材料的热物性测量。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及，属于高温半 透明材料热物性测量
技术介绍
半透明材料是指其光谱光学厚度在某个或若干个波段范围内为有限值的材料，在 很多领域有着广泛的应用，如航天器外表面温控涂层、航天军事技术中导弹飞行器上的硫 化锌窗口材料，军事目标红外辐射特性及遥感探测、太阳能利用、红外加热、温控涂层以及 玻璃和陶瓷加工等。半透明材料的折射率和吸收系数作为其重要的热辐射物性参数，是工程设计、热 过程及辐射信号传输分析的基础输入数据，对相关工程技术和科学实验研究的发展非常重 要。实验测量是获得半透明材料高温热辐射物性数据的基本手段。现有半透明材料高温热 辐射物性测量方法存在过程复杂并且测量结果不可靠的缺陷。
技术实现思路
本专利技术目的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，提供了一种高温半透明材料折射率及吸收系数反演测量装置及方 法。本专利技术所述高温半透明材料折射率及吸收系数反演测量装置，它包括傅立叶红外 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，循环水恒温套筒套接于真空罐的外表面，并且循环水恒温套筒和真空罐相应面侧 壁上并排设置第一测量窗口和第二测量窗口，黑体光源B、旋转平台和黑体光源A设置于 真空罐内部，旋转平台的一侧相对于第一测量窗口，旋转平台的另一侧设置黑体光源A，旋 转平台用于放置待测试件和黑体辐射加热器，黑体辐射加热器用于对待测试件进行辐射加 热；黑体光源A的光轴通过第一测量窗口的中心；黑体光源B的光轴通过第二测量窗口的 中心；傅立叶红外光谱分析仪用于采集第一测量窗口或第二测量窗口射出的光谱辐射 信号；傅立叶红外光谱分析仪的采集信号传输给数据处理系统。它还包括水平导轨，傅立叶红外光谱分析仪设置在水平导轨上。-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，它包括以下步骤： 步骤一：使傅立叶红外光谱分析仪对应于第一测量窗口，开启黑体光源A，采用傅 立叶红外光谱分析仪采集黑体光源A的光谱辐射信号Si; 步骤二：将待测试件放置于旋转平台上，转动旋转平台，使待测试件的测量表面法 线方向与黑体光源A中线方向的夹角a为0° ;开启黑体辐射加热器，将待测试件加热至 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S :透过待测试件之后剩余的信号S i '、待测试件的光谱辐 射信号\和黑体辐射加热器的光谱辐射信号透过待测试件之后剩余的信号S 4'组成； 步骤三：关闭黑体光源A，并保持待测试件温度稳定，再采用傅立叶红外光谱分析 仪采集第二数据S 3，第二数据&由黑体辐射加热器的光谱辐射信号透过待测试件之后剩余 的信号S4'和待测试件的光谱辐射信号\组成； 步骤四：取出待测试件，保持黑体辐射加热器当前加热温度不变，采用傅立叶红外 光谱分析仪采集黑体辐射加热器的光谱辐射信号s 4;然后关闭黑体辐射加热器； 步骤五：开启黑体光源B，使其达到预定温度并保持稳定后，移动使傅立叶红外光 谱分析仪对应于第二测量窗口，采集黑体光源B的光谱辐射信号S b; 步骤六：由上述测量获得的所有光谱辐射信号数据，计算获得待测试件的测量表 面法线方向与黑体光源A中线方向夹角a为0°时，待测试件的光谱方向表观发射率测量 值e (入，a J ;式中A为光源的光谱波长，a 1= 〇° ; 步骤七：重复步骤一至步骤六，并依次使待测试件的测量表面法线方向与黑体光 源A中线方向的夹角a为20°、40°、60°及80°，并依次计算获得待测试件的光谱方向 表观发射率测量值 e U，a 2)、e ( A，a 3)、e ( A，a 4)和 e ( A，a 5);式中 a 2= 20°， a 3= 40。，a 4= 60。，a 5= 80。； 步骤八：根据辐射传输逆问题求解算法，设定待测试件的光谱折射率为n'A， 光谱吸收系数为k' A，根据菲涅尔定律进行计算，得到与测量方向夹角a相对应的 待测试件的光谱方向表观发射率估计值e' (A，ai)、e' (A，a2)、e' (A，a 3)、 e ' （入，a 4)及 e ' （入，a 5); 步骤九：根据待测试件的光谱方向表观发射率测量值e (A，a2)、e (A，a3)、 e (A，a4)和e (A，a5)及待测试件的光谱方向表观发射率估计值e ' (A，Ql)、 e ' ( X，a 2)、e ' ( A，a 3)、e ' ( A，a 4)和e ' ( A，a 5)，由目标函数计算公式计算 获得目标函数值 步骤十：判断目标函数值匕,是否小于设定阈值|，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的光谱折射率n' x和光谱吸收系数k' A，并重新 进行计算获得目标函数值F&，直至当前目标函数值F&小于设定阈值|，将待测试件的当 前光谱折射率n' x作为待测试件的真实光谱折射率n A，将待测试件的当前光谱吸收系数 k' x作为待测试件的真实光谱吸收系数kA，完成高温半透明材料折射率及吸收系数的 测量。 步骤六中获得待测试件的光谱方向表观发射率测量值e (A，a J的具体方法 为： 由步骤一至步骤五中采集获得的光谱辐射信号数据，获得： Sr1= I ( A) ? S S2= S，1+Ss+S,4, S3=Ss+S,4, S，4=t(入）? S4; 式中t( A )为预设定温度T下，待测试件的光谱透射率； 进而获得预设定温度T下待测试件的光谱辐射信号Ss: 再根据表观发射率定义获得待测试件的测量表面法线方向与黑体光源A中线方 向夹角a为0°时，待测试件的光谱方向表观发射率测量值e (A，a J: ^w，o. 步骤八中根据菲涅尔定律进行计算，获得待测试件的光谱方向表观发射率估计值 e ' U，a)的具体方法为： 根据菲涅尔定律，待测试件的测量表面法线方向与黑体光源A中线方向的夹角为 a时，e ' (A，a)的表达式为： 「00341 式中P v为待测试件对垂直极化波的反射系数，D为待测试件的厚度；P h为待测 试件对水平极化波的反射系数； 式中0为黑体光源A在待测试件上产生的折射角，sin( 0 ) = n' xsin( a)。 待测试件的尺寸为： 待测试件为圆形试件，其直径为50mm ; 或者待测试件为矩形试件，其长度方向的边长为50_。 光源的光谱波长范围为1 y m~25 y m ;待测试件预设定温度T的范围为300K~ 1673K。 本专利技术的优点：本专利技术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，该方法适用于两侧均为镜反射半透明边界条件的半透明材料的光谱折射率和光谱吸 收系数的测量。本专利技术提供了一种结构简单、操作简便、精确的高温半透明材料光谱折射率和光 谱吸收系数反演测量新方法。本专利技术实现了利用傅里叶当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高温半透明材料折射率及吸收系数反演测量装置，其特征在于，它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)。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：齐宏，牛春洋，张丽琴，姚睿，阮立明，谈和平，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23
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