基于有效辐射的材料高温光谱发射率测试系统

摘要

本发明涉及材料的热物性参数测试技术领域，尤其涉及一种基于有效辐射的材料高温光谱发射率测试系统。该测试系统包括水冷真空室、真空辐射加热单元、有效辐射腔体以及辐射测量与标定单元，通过水冷真空室、真空辐射加热单元、有效辐射腔体和辐射测量与标定单元相结合进行材料光谱发射率的测试，在测试过程中无需参考黑体源，无需预先精确知晓材料温度，降低了测试难度，提高了测试精度，通过将测试样品放置于真空水冷室内避免了测试样品的高温氧化问题。

说明书

技术领域

本发明涉及材料的热物性参数测试技术领域，尤其涉及一种基于 有效辐射的材料高温光谱发射率测试系统。

背景技术

光谱发射率是材料的重要热物性参数之一，表征了材料表面的光 谱辐射能力，是辐射测温与辐射热传递分析的重要基础物性数据。例 如，在航空航天、石油化工、冶金、钢铁、水泥、玻璃能源动力等工 业领域，辐射测温是解决生产环节中的高温温度诊断的有效手段，然 而高温光谱发射率的未知性是辐射温度准确测量的主要障碍。光谱发 射率与材料的组分、温度、波长、表面状态等诸多因素复杂相关，已 有文献中的相关物性数据并不能完全满足应用需求，因此，对特定的 高温光谱发射率进行准确测量是非常必要的。

目前，国内外从事热测量科学的学者对材料光谱发射率的相关测 量方法和技术开展了许多研究工作。

采用傅里叶光谱法进行发射率测量的研究工作较为典型，例如： 1992年，德国Lindermeir等人利用傅里叶光谱仪设计了一套能够同时 测量物体发射率和温度（500K以下）的装置，波长范围1.3～5.4μm； 2003年，日本Yajima等人采用分离黑体法建立一套高温下可同时测量 全光谱发射率和光学常数的测试系统，波长范围2～10μm，温度范围 900～1400K；2007年，戴景民等采用傅里叶光谱仪研制了材料光谱发 射率测量装置，波长范围0.66～25μm，温度范围100～1500℃。但是采 用傅里叶光谱法进行光谱发射率测量由于需要参考黑体源和精确知晓 材料温度，因而存在着测试难度较大，精度较低等缺陷。

基于反射器的材料在线发射率测量研究工作也被广泛报道，这种 光谱发射率的测试方式是通过样品上方的反射器获得经过多次反射叠 加的样品表面有效辐射，从而进行样品表面发射率的计算，其具有较 好的测试应用性。但现有的基于反射器的材料在线发射率测量技术， 仍存在样品温度测量上限较低、测试样品在实验过程中易氧化等缺点。

因此，针对以上不足，本发明提供了一种基于有效辐射的材料高 温光谱发射率测试系统。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的是解决现有光谱发射率测试技术中存在的测试难度 大、精度低以及测试样品易氧化的问题。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于有效辐射的材料 高温光谱发射率测试系统，其包括水冷真空室、真空辐射加热单元、 有效辐射腔体以及辐射测量与标定单元，所述真空辐射加热单元固定 设置在所述水冷真空室内，所述有效辐射腔体可移动地设置在所述真 空辐射加热单元的一侧，测试样品设置在所述真空辐射加热单元和所 述有效辐射腔体之间，所述有效辐射腔体靠近测试样品的一端设有大 开口，所述有效辐射腔体远离测试样品的一端设有小开口，所述水冷 真空室靠近所述小开口的一端设置有光学窗口且辐射测量时所述小开 口和所述光学窗口相对，所述辐射测量与标定单元设置在所述水冷真 空室的外侧通过所述光学窗口进行辐射测量和数据处理。

其中，所述水冷真空室的内壁具有冷却水夹层。

其中，所述水冷真空室的内壁上和所述有效辐射腔体的外壁具有 吸收率涂层。

其中，所述有效辐射腔体内壁上具有反射涂层。

其中，所述有效辐射腔体的外壁上设置有冷却水盘管。

其中，所述真空辐射加热单元包括钨板和设置在所述钨板两端的 大电流水冷电极。

其中，所述钨板上开设有槽或孔。

其中，所述大开口和所述小开口为圆形，所述大开口和所述小开 口的直径比大于3:1。

其中，所述有效辐射腔体通过设置在所述水冷真空室内的电动平 移滑台在三维方向上移动。

其中，所述辐射测量与标定单元包括可见-近红外光谱仪和数据处 理模块，所述数据处理模块与所述可见-近红外光谱仪连接，用于样品 表面辐射的测量以及样品发射率的标定计算。

（三）有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明通过水冷真空室、 真空辐射加热单元、有效辐射腔体和辐射测量与标定单元相结合进行 材料光谱发射率的测试，在测试过程中无需参考黑体源，无需预先精 确知晓材料温度，降低了测试难度，提高了测试精度，通过将测试样 品放置于真空水冷室内避免了测试样品的高温氧化问题；采用薄钨板 作为辐射加热元件，通过开孔或槽手段减小加热区横截面积，显著提 高钨板加热区温度，以实现最高温度2000℃的高温样品加热。

附图说明

图1是本发明实施例材料高温光谱发射率测试系统的剖面图；

图2是本发明实施例中钨板的示意图。

图中，1：水冷真空室；2：钨板；3：大电流水冷电极；4：待测 样品；5：有效辐射腔体；6：大开口；7：小开口；8：光学窗口；9： 槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描 述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明提供的基于有效辐射的材料高温光谱发射率 测试系统包括水冷真空室1、真空辐射加热单元、有效辐射腔体5和辐 射测量与标定单元，真空辐射加热单元固定设置在水冷真空室1内， 有效辐射腔体5可移动地设置在所述真空辐射加热单元的一侧，待测 样品4设置在真空辐射加热单元和有效辐射腔体5之间，有效辐射腔 体5靠近测试样品的一端设有大开口6，有效辐射腔体5远离待测样品 的一端设有小开口7，水冷真空室1靠近小开口7的一端设置有光学窗 口8且辐射测量时小开口7和光学窗口8相对，辐射测量与标定单元 设置在水冷真空室1的外侧通过所述光学窗口8进行辐射测量和数据 处理。所述大开口和小开口优选为圆形。

这样，水冷真空室1为光谱发射率测试提供了一个真空冷环境， 在水冷真空内，真空辐射加热单元对位于其一侧的待测样品4进行加 热，有效辐射腔体5的大开口6对应着待测样品4，大开口6的区域面 积应小于待测样品4所对应的区域面积，待测样品4的中心、开口6 的圆心、开口7的圆心均位于有效辐射腔体的中心轴线上，待测样品4 辐射通过大开口6进入有效辐射腔体5，从小开口7射出，进而通过水 冷真空室1的光学窗口8进入辐射测量与标定单元，从而可以实现待 测样品辐射强度的测量。

优选地，水冷真空室1的内壁具有冷却水夹层。该冷却水夹层中 循环冷却水可以使水冷真空室1保持相对较低的温度，同时，水冷真 空室1的内壁上具有高吸收率涂层，吸收率大于0.9，水冷真空室1的 光学窗口8安装有石英玻璃，这样水冷真空室1就为高温辐射测量提 供了一个理想的近似黑体的真空冷环境。水冷真空室1的形状可以是 圆柱筒形、长方体、正方体或者其他形状。

进一步地，有效辐射腔体5内壁上具有高反射涂层，反射率大于 0.9。这样样品表面辐射在腔体内产生多次反射，从而可以增强样品表 面的有效辐射。

进一步地，有效辐射腔体5的外壁上设置有冷却水盘管。这样可 以保证有效辐射腔体5的内壁面为恒温冷环境。

如图1和图2所示，本发明中所述真空辐射加热单元包括钨板2 和设置在所述钨板2两端的大电流水冷电极3，可以在钨板2上开设有 槽9或孔。该钨板2的形状可为矩形，将矩形钨板2作为辐射加热元 件，在真空室内通过大电流水冷电极3通电加热钨板2，可以提高辐射 加热钨板的温度，进而可以提高待测样品4的温度测试上限，待测样 品4的形状可以为圆形，圆形待测样品4与钨板2平行近距离放置， 通过高温钨板2，实现对圆形待测样品4的高温辐射加热，本发明的测 试系统可以将待测样品的测试温度提高至2000℃。通过在钨板2上开 设有槽9或孔，可以减小钨板2的横截面积，提高钨板2加热区的加 热温度。

所述有效辐射腔体5的形状可以为薄壁圆柱筒，其大开口6和小 开口7可为圆形，大开口6和小开口7的直径比大于3:1。

进一步地，所述有效辐射腔体5的外壁具有高吸收率涂层，吸收 率大于0.9。这样可以减少有效辐射腔体5外壁表面杂散辐射对样品测 试精度的影响。

优选地，所述有效辐射腔体5通过设置在所述水冷真空室1内的 电动平移滑台可左右、上下和前后移动。通过电动平移滑台，可以实 现有效辐射腔体5的快速移动和定位，使其位于或者移出测试光路， 同时方便有效辐射腔体5的大开口6罩于待测样品4的测试面区域。 所述水冷真空室的前端为带有光学窗口的一端，所述水冷真空室的后 端为远离光学窗口的一端。

所述辐射测量与标定单元包括可见-近红外光谱仪和数据处理模 块，数据处理模块与可见-近红外光谱仪连接。采用可见-近红外光谱仪， 通过水冷真空室1的光学窗口8，分别测量不加有效辐射腔体5和加有 效辐射腔体5两种情形下的高温圆形待测样品表面的有效光谱辐射强 度，通过数据处理模块对测得的光谱辐射强度数据进行处理，进而得 出待测样品4的光谱发射率。

本发明的基于有效辐射的材料高温光谱发射率测试系统在使用 时，有效辐射腔体5通过设置在所述水冷真空室1内的电动平移滑台 有两个限位位置：第一个限位位置是有效辐射腔体5移动至样品的测 试区，使得有效辐射腔体5的大开口6恰好罩于样品测试面区域，样 品测试表面与有效辐射腔体5的大开口6端面平行，间距优选为5mm； 第二个限位位置是将有效辐射腔体5在左右或者上下方向上移出样品 的测试区，不阻挡样品和光学窗口8所在的测试光路。

采用可见-近红外光谱仪，通过真空室光学窗口8，可以测量样品 的表面辐射强度。当有效辐射腔体5在第一限位位置时，样品表面辐 射在有效辐射腔体5内多次反射，样品的表面有效辐射表现为样品表 面的发射辐射和反射辐射，所测得的辐射强度为I₂；当有效辐射在第 二限位位置时，样品的表面有效辐射表现为样品表面的发射辐射，所 测得的辐射强度为I₁。

对于待测样品4，根据测得的I₂和I₁，然后通过数据处理模块进 行标定计算，可以精确地得出待测样品4的光谱发射率。

通过数据处理模块进行标定计算的方式如下：

比值I₂/I₁与样品的发射率、有效辐射腔体5的尺寸及有效辐射腔 体5与样品的几何相对位置、辐射腔体内壁面的反射率等因素相关， 则I₂/I₁可表示为上述因素的公式：

I₂/I₁=f(ε)·g(φ,ρ)  （1）

其中ε为样品发射率；f(ε)为样品发射率的函数；φ为有效辐射腔 体5的尺寸及有效辐射腔体5与样品几何相对位置相关的复合几何变 量，ρ为辐射腔体内壁面的反射率，g(φ,ρ)为包含复合几何变量φ和内 壁面的反射率ρ的函数。在上述特定实验测量中，变量φ、ρ为已知固 定值，函数g(φ,ρ)则表现为固定常数，因此，公式（1）中的测量比值I₂/I₁则仅与样品发射率相关。

在实验测量中，首先采用一系列已知发射率的参考样品作为实验 样品，将参考样品放置在水冷真空室1中真空辐射加热单元和有效辐 射腔体5之间，抽真空到0.001Pa，启动大电流加热系统，将参考样品 加热到特定的温度状态，采用上述光谱仪分别获得上述具有不同发射 率的参考样品的辐射强度测量值I₁、I₂，进而实现了测量比值I₂/I₁与发 射率ε之间对应关系的标定。

然后，对于待测样品4，基于标定结果，通过测量待测样品4的比 值I₂/I₁，基于上述标定结果，可以确定待测样品4的发射率ε；进而通 过测量光谱辐射强度值I₁和发射率ε，基于辐射基本原理，可以确定待 测样品4测试区的温度。

本发明所述的测试样品为待测样品或者参考样品。

综上所述，本发明提供的基于有效辐射的材料高温光谱发射率测 试系统通过水冷真空室1、真空辐射加热单元、有效辐射腔体5和辐射 测量与标定单元相结合对样品辐射强度进行测量，进而通过辐射测量 与标定单元的数据处理模块进行标定计算，获得了待测样品4的光谱 发射率；所述水冷真空室1为高温辐射提供了一个理想的近似黑体的 真空冷环境，测试过程中，无需参考黑体源，无需精确知晓材料温度， 降低了测试难度，提高了的测试精度，并且将待测样品放置于真空水 冷室内也避免了测试样品的高温氧化问题；在水冷真空内通过大电流 水冷电极3通电加热钨板2，提高了辐射加热钨板的温度，进而可以提 高待测样品的温度测试上限；通过在所述有效辐射腔体5内壁上涂有 高反射涂层，增强了样品表面的有效辐射，提高了测试的精度；在水 冷真空室1的内壁上和有效辐射腔体5的外壁具有高吸收率涂层，降 低水冷真空室1的内壁和有效辐射腔体5的外壁的反射对样品测试的 不利影响，进一步提高了测试的精度。

另外，本发明提供的基于有效辐射的光谱发射率测试技术，采用 数据处理模块，通过已知发射率的参考样品进行系统定标，相比于其 他测试方法中通过理论分析所建立的测量值与发射率对应关系过于理 想化的缺点而言，本发明通过数据处理模块所采用的实验定标方式则 有更好的测试精度，具有实际可行性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领 域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以 做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。