一种高温炉内金属温度及发射率测量的红外偏振探测系统技术方案

本发明专利技术涉及热工测量领域，具体是指一种高温炉内金属温度及发射率测量的红外偏振探测系统，包括设置于高温炉内部的仿黑体、极化辐射计及监测辐射计，所述仿黑体与极化辐射计对称设置与待测金属两侧。称设置与待测金属两侧。称设置与待测金属两侧。

【技术实现步骤摘要】
一种高温炉内金属温度及发射率测量的红外偏振探测系统


[0001]本专利技术涉及热工测量领域，具体是指一种高温炉内金属温度及发射率测量的红外偏振探测系统。

技术介绍

[0002]准确的温度测量和控制对于生产金属、半导体和其他材料至关重要，以便在保持高质量的同时最大限 度地减少能源消耗，辐射测温是一种非接触式温度测量方法，特别适用于移动的物体，然而，目标发射率 的变化会导致温度测量出现差异，此外，辐射计无法在含有大量背景辐射噪声的高温炉中检测物体的辐射， 针对在高温炉内(例如连续退火炉)移动的光滑金属，需要开发实用辐射测温系统所需考虑的因素，为了 完成这项工作，必须解决两个问题：第一，准确建立被测金属的发射率模型；第二，消除炉子的背景辐射 噪声，针对第一个问题，我们提出了一种使用辐射偏振特性测量发射率和温度的办法来解决；针对第二个 问题，我们提出了一种安装在高温炉内的仿黑体的技术来解决。

技术实现思路

[0003]为解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案为：一种高温炉内金属温度及发射率测量的红外偏振探 测系统，包括设置于高温炉内部的仿黑体、极化辐射计及监测辐射计，所述仿黑体与极化辐射计对称设置 与待测金属两侧。
[0004]作为改进，所述仿黑体与极化辐射计测量镜头孔径中心轴线与待测金属测点表面夹角θ≥60
°
。
[0005]作为改进，所述待测金属表面的测量点朝向仿黑体测量孔径的立体角dΩ＞0.02πsr。
[0006]作为改进，所述极化辐射计包括在λ＝3.9μm波长处监测P偏振和S偏振辐射的传感器，用以获得R
ps
， 并在λ＝2.3μm波长处检测发射率ε
λ
(θ)。
[0007]作为改进，所述监测辐射计内部设有灵敏度为2.3μm的传感器，所述传感器用于检测高温炉内的热辐 射自然加热时仿黑体温度T2，所述仿黑体材质为耐热材料氧化铝或碳化硅。
[0008]采用以上结构后，本专利技术具有如下优点：
[0009]通过对被测金属的发射率补偿及消除炉子的背景辐射噪声，从而提高了高温炉内(如连续退火炉)移 动的具有光滑表面的金属的温度测量精度。
附图说明
[0010]图1确定发射率ε
λ
(θ)和R
ps
之间特性曲线的实验装置；
[0011]图2用于测量立体角dΩ和噪声因子N
r
的实验装置；
[0012]图3是辐射测量管安装使用状态示意图。
具体实施方式
[0013]结合附图1，一种高温炉内金属温度及发射率测量的红外偏振探测系统，包括设置于高温炉内部的仿 黑体、待测金属、极化辐射计及监测辐射计，所述仿黑体与极化辐射计对称设置与待测金属两侧。
[0014]作为本实施例较佳实施方案的是，所述仿黑体与极化辐射计测量镜头孔径中心轴线与待测金属测点表 面夹角θ≥60
°
。
[0015]作为本实施例较佳实施方案的是，所述待测金属表面的测量点朝向仿黑体测量孔径的立体角dΩ＞ 0.02πsr。
[0016]作为本实施例较佳实施方案的是，所述极化辐射计包括在λ＝3.9μm波长处监测P偏振和S偏振辐射 的传感器，用以获得R
ps
，并在λ＝2.3μm波长处检测发射率ε
λ
(θ)。
[0017]作为本实施例较佳实施方案的是，所述监测辐射计内部设有灵敏度为2.3μm的传感器，所述传感器用 于检测高温炉内的热辐射自然加热时仿黑体温度T2，所述仿黑体材质为耐热材料氧化铝或碳化硅。
[0018]本专利技术在具体实施时
[0019]1.发射率补偿方法：
[0020]设T是金属样品的温度，E
p
(θ)是p偏振辐射信号，该信号由样品发射并由辐射计检测到，该信号由 样品发射并由辐射计检测到，该辐射计包括在样品表面法线的方向θ上的p偏振器，如此一来，以下等式 成立:
[0021]E
p
(θ)＝k
p
ε
p
(θ)L
λ，b
(T)
ꢀꢀ
(1)
[0022]其中，ε
p
(θ)是样品在波长λ和方向θ下的p偏振发射率，k
p
是将p偏振辐射转换为电输出信号E
p
(θ) 的常数，L
入，b
(T)和波长λ下黑体的光谱辐射强度。
[0023]类似地，s偏振辐射信号E
s
(θ)可以通过等式2获得:
[0024]E
s
(θ)=K
s
ε
s
(θ)L
λ,b
(T)
ꢀꢀ
(2)
[0025]在这个方程中，E
s
(θ)是样品在波长λ下的s偏振发射率，k
s
是将s偏振辐射转换为电输出信号E
s
(θ) 的常数，
[0026]等式1和2的比值如下所示:
[0027][0028]由于k＝kp/ks是一个常数，p偏振发射率与s偏振发射率的比值R
ps
＝ε
p
(θ)/ε
s
(θ)可以从E
p
(θ) 与E
s
(θ)测量值中通过实验推导出，如果金属样品在加热过程中的光谱发射率ε
λ
(θ)与比值R
ps之间存在一一 对应关系，则可以通过测量比值R
ps
来获得样品的发射率ε
λ
(θ)。
[0029]2.高温炉内的测量方法
[0030]附图2显示了在高温炉中测量物体温度和发射率的实验装置，安装在炉内的黑体辐射器和炉外的辐射 计对称放置，与样品表面的法线n成θ角，设T1、T2和T3分别为样品、黑体辐射器和炉壁的温度，由配 备p偏振器的辐射计检测到的辐射信号E
p
用以下公式描述：
[0031]E
p
＝k
p
{ε
p
(θ)L
λ，b
(T1)+q
p
[1
‑
ε
p
(θ)]L
λ，b
(T2)+N
P，r
L
λ，b
(T3)}
ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0032]公式4右侧的第一项是辐射计检测到的在温度T1下离开样品的辐射信号，第二项是在温度为T2时离 开黑体，从样品反射，然后被辐射计检测到的信号，第三项是在温度为
T3时离开炉壁、从样品反射、然后 被辐射计检测到的辐射信号，q
p
(0≤q
p
≤1)是代表样品p偏振镜面反射特性程度的系数，N
p，r
是代表样品p 偏振漫反射特性的噪声因子。
[0033]令：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高温炉内金属温度及发射率测量的红外偏振探测系统，其特征在于：包括设置于高温炉内部的仿黑体、极化辐射计及监测辐射计，所述仿黑体与极化辐射计对称设置与待测金属两侧。2.根据权利要求1所述的一种高温炉内金属温度及发射率测量的红外偏振探测系统，其特征在于：所述仿黑体与极化辐射计测量镜头孔径中心轴线与待测金属测点表面夹角θ≥60
°
。3.根据权利要求1所述的一种高温炉内金属温度及发射率测量的红外偏振探测系统，其特征在于：所述待测金属表面的测量点朝向仿黑体测量孔径的立体角dΩ＞0.02πsr。4....

【专利技术属性】
技术研发人员：刘新，
申请(专利权)人：上海昌然自动化设备有限公司，
类型：发明
国别省市：