基于光栅单色仪的光谱发射率测量装置

摘要

本文基于光栅单色仪研制了一套可以准确测量材料光谱发射率的实验装置，并对常见的两种金属材料铝和铜的光谱发射率进行了系统的研究。文章第一章介绍了本文的研究背景与意义，阐述了材料发射率的在诸多领域的重要应用，总结了发射率的测量方法，并对几种测量方法进行比较，最后对发射率测量现状及存在的问题进行了探讨。第二章简要介绍了和发射率相关的基本热辐射理论，发射率定义的几种常见分类，并给出了每种发射率定义的数学表达式。
　　第三章介绍了自主研制的材料光谱发射率装置的主要组成部分:样品加热及温度控制装置、标准黑体炉、光栅单色仪、锁相放大器和斩波器、离轴抛物面反射镜及电动旋转台，并对每部分都进行了详细介绍。该发射率测量装置可以实现材料光谱发射率在温度范围373-1073K，波长范围0.8-2.2μm内的精确测量。温度和波长范围也可以通过更换加热装置、光栅和探测器进行拓展。此外，本章还对光谱发射率实验装置的测量原理进行了分析，探讨了影响光谱发射率测量的诸多因素，给出了本实验装置的具体测量公式。
　　第四章介绍了纯铝及铝合金的光谱发射率研究结果。利用研制的光谱发射率测量仪器对纯铝及铝合金在温度范围373-873K，波长范围0.8-2.2μm内的光谱发射率进行了系统研究。结果表明:纯铝在未被氧化情况下（氩气保护），其光谱发射率随着测量波长的增加而变小，随着温度的升高而变大;氧化会增大纯铝的光谱发射率，样品表面氧化膜厚度直接影响其发射率数值大小，样品表面氧化达到一定程度后，其发射率数值也趋于稳定。恒温长时间测量发现:样品的光谱发射率随着氧化时间的持续缓慢变大，一段时间后趋于稳定。此外，还运用实验室之前的研制反射式发射率测量装置对铝合金5052在波长1.55μm处的光谱发射率进行了测量。
　　第五章介绍了黄铜及红铜的光谱发射率研究结果。利用反射式发射率测量装置对黄铜和紫铜在300K至1123K之间波长1.55μm处的光谱发射率进行了系统的研究，探讨了温度、氧化、加热时间等因素对两种铜样品光谱发射率的影响。实验结果表明:黄铜和紫铜的光谱发射率均随温度的升高而增大，并且分别出现了峰值和谷值。通过分析有氧化膜时金属的反射模型，得到了金属氧化膜厚度的计算公式，利用得到的公式估算了紫铜出现峰值和谷值时的氧化膜厚度。由恒温长时间测量结果可以看出:光谱发射率随加热时间出现小幅增大，较高温度处的发射率数值始终大于较低温度处的发射率数值。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 发射率测量技术研究现状

1．2．1 量热法

1．2．2 反射法

1．2．3 能量对比法

1．2．4 多波长法

1．3 发射率测量存在问题分析

1．4 研究内容

第二章 能量对比法发射率测量技术基础理论

2．1 热辐射基本理论

2．1．1 黑体辐射基本定律

2．1．2 发射率的各种形式及其定义

2．2 能量对比法发射率测量技术原理

2．3 本章小结

第三章 基于光栅单色仪光谱发射率测量装置

3．1 装置基本测量原理

3．2 测量装置整体介绍

3．2．1 平板加热炉及温控装置

3．2．2 黑体炉

3．2．3 光栅单色仪

3．2．4 锁相放大器及斩波器

3．2．5 离轴抛物面反射镜及电动旋转台

3．3 光谱发射率测量装置性能测试

3．3．1 纯钛TA2光谱发射率测试

3．3．2 测量不确定度评定

3．4 本章小结

第四章 纯铝及铝合金光谱发射率研究

4．1 引言

4．2 纯铝光谱发射率研究

4．2．1 样品制备

4．2．2 氩气保护下纯铝的光谱发射率

4．2．3 纯铝在不同温度下氧化4h后的光谱发射率

4．2．4 纯铝在873K不同氧化时间的光谱发射率

4．3 铝合金A15052波长1.55μm处光谱发射率研究

4．3．1 样品制备

4．3．2 Al5052光谱发射率与温度之间的关系

4．3．3 Al5052光谱发射率与加热时间之间的关系

4．4 本章小结

第五章 铜光谱发射率研究

5．1 引言

5．2 铜波长1.55μm处光谱发射率研究

5．2．1 样品处理

5．2．2 温度对铜光谱发射率的影响

5．2．3 氧化膜厚度对光谱发射率的影响

5．2．4 加热时间对光谱发射率的影响

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 主要研究内容及结果

6．2 展望

参考文献

致谢

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