基于积分球反射及透射的半透明材料光谱法向发射率测量方法

摘要

基于积分球反射及透射的半透明材料光谱法向发射率测量方法，属于高温材料热物性测量技术领域。本发明为了解决现有半透明材料在近红外波段的法向发射率测量方法的测量过程复杂，并且测量结果误差大的问题。它将半透明待测试件固定在积分球的试件口处；将激光器固定在积分球的激光入口处，并将激光器输出激光束的中心对准半透明待测试件内表面的中心位置；将激光功率计探测器的探头固定在积分球的探测器口处；分别对半透明待测试件的反射率和透射率进行测量，继而根据基尔霍夫定律得到半透明待测试件的光谱法向发射率。本发明用于测量半透明材料的光谱法向发射率。

说明书

技术领域

本发明涉及基于积分球反射及透射的半透明材料光谱法向发射率测量方法，属于高温 材料热物性测量技术领域。

背景技术

材料表面光谱法向发射率定义为同等温度下材料表面辐射能与黑体辐射能的比值，是 一项表征材料辐射能力的物理量，是一项重要的热物性参数，在当代很多科学技术领域中 都具有重要意义。例如，在军事预警中，如何在敌方的攻击导弹进入大气层前就实现及时 发现、定位和拦截，或在众多红外诱饵中对真实的威胁性目标实现辨识并对其进行有效摧 毁，都需要能够精准地捕捉到物体的红外辐射，并能够排除辐射在大气等半透明介质中的 传输过程产生的影响。

近年来，随着航空航天技术、光电子技术、新能源技术的发展，促使对光学材料、功 能材料、相变蓄能材料的需求进一步增加，而许多材料的生成和应用中均涉及到半透明介 质，例如各种具有吸收散射特性的气体及液体，甚至很多研究对象自身就是半透明材料， 如玻璃、硅胶、陶瓷材料、一些半导体材料、硼硅酸盐、塑料等在工业中已经广泛应用， 所以能够准确测量半透明材料的热物性有着十分重大的意义。

现有半透明材料在近红外波段的法向发射率测量方法均存在测量过程复杂，并且测量 结果误差大的问题。

发明内容

本发明目的是为了解决现有半透明材料在近红外波段的法向发射率测量方法的测量 过程复杂，并且测量结果误差大的问题，提供了一种基于积分球反射及透射的半透明材料 光谱法向发射率测量方法。

本发明所述基于积分球反射及透射的半透明材料光谱法向发射率测量方法，它包括以 下步骤：

步骤一：将半透明待测试件固定在积分球的试件口处；将激光器固定在积分球的激光 入口处，并将激光器输出激光束的中心对准半透明待测试件内表面的中心位置；将激光功 率计探测器的探头固定在积分球的探测器口处；

步骤二：预热激光器，同时加热半透明待测试件至设定实验温度后，打开激光功率计 开关，待探测器示数稳定后，记录此时未有激光照射时，探测器探测到的半透明待测试件 的第一辐射能量值E_r′；

步骤三：使激光器发射激光束照射半透明待测试件，待探测器示数稳定后，记录此时 探测器探测到的半透明待测试件的第二辐射能量值E_r；

步骤四：将激光器移至半透明待测试件外表面侧，使激光束沿垂直于半透明待测试件 表面方向透射进入积分球，同时将积分球的激光入口用球塞封闭，该球塞与积分球的材质 相同，待探测器示数稳定后，记录此时探测器探测到的半透明待测试件的第三辐射能量值 E_t；

步骤五：移走半透明待测试件，保持步骤四中激光束的入射方向不变，待探测器示数 稳定后，记录此时探测器探测到的半透明待测试件的第四辐射能量值E_t0；

步骤六：再将激光器固定在积分球的激光入口处，并将反射率为ρ₀的标准反射体固 定在积分球的试件口处，使激光器发射激光束照射标准反射体内表面的中心位置，待探测 器示数稳定后，记录此时探测器探测到的标准反射体的第五辐射能量值E_r0；

步骤七：再关闭激光器，待探测器示数稳定后，记录此时探测器探测到的标准反射体 未有激光照射时的第六辐射能量值E_r′₀；

步骤八：根据基于积分球的反射率计算公式，由第一辐射能量值E_r′、第二辐射能量 值E_r、第五辐射能量值E_r0和第六辐射能量值E_r′₀，计算获得半透明待测试件的反射率 ρ_B；

步骤九：根据基于积分球的透射率计算公式，由第三辐射能量值E_t和第四辐射能量 值E_t0，计算获得半透明待测试件的透射率τ；

步骤十：根据基尔霍夫定律，由半透明待测试件的反射率ρ_B和半透明待测试件的透 射率τ计算获得半透明待测试件在设定实验温度下的光谱法向发射率ε。

步骤八中所述计算获得半透明待测试件的反射率ρ_B的具体方法为：

当积分球的试件口处固定设置半透明待测试件时，第二辐射能量值E_r的表达式为：

$E_r=\frac{{\rho }_w{\rho }_B{\phi }_o(1-f)}{{4\mathrm{\pi r}}^2[1-{\rho }_w(1-f)]},$

式中ρ_w为积分球内壁反射率；

φ_o为激光器发射激光束的光通量；

f为积分球上试件口的球面面积与积分球总的内反射表面积之比，该积分球总的内反 射表面积包括积分球上所有开口球面面积；

r为积分球半径；

反射率为ρ₀的标准反射体的第五辐射能量值E_r0的表达式为：

$E_{r0}=\frac{{\rho }_w{\rho }_o{\phi }_o(1-f)}{{4\mathrm{\pi r}}^2[1-{\rho }_w(1-f)]};$

由上述两个辐射能量表达式计算获得半透明待测试件的反射率ρ_B为：

${\rho }_B=\frac{E_r}{E_{r0}}{\rho }_0;$

由于半透明待测试件、标准反射体和积分球内壁的自身辐射，当积分球的试件口处固 定设置半透明待测试件或标准反射体，并未有激光照射时，考虑半透明待测试件及标准反 射体自身辐射时的半透明待测试件的反射率ρ_B为：

${\rho }_B=\frac{E_r-E_r^{\prime }}{E_{r0}-E_{r0}^{\prime }}{\rho }_0.$

步骤九中所述计算获得半透明待测试件的透射率τ的具体方法为：

根据积分球的基本原理，当积分球的试件口处固定设置半透明待测试件时，积分球内 壁任意一点处的辐照度E_t′为：

$E_t^{\prime }=\frac{{\rho }_w\tau {\phi }_o}{{4\mathrm{\pi r}}^2[1-{\rho }_w(1-f)]};$

则探测器探测到的半透明待测试件的第三辐射能量值E_t；

E_t=E_t′+E_B，

E_B为积分球的试件口处固定设置半透明待测试件时，由半透明待测试件反射引起的 辐射能量补偿项，其表达式为：

$E_B=\frac{{\rho }_w}{{4\mathrm{\pi r}}^2[1-{\rho }_w(1-f)]}{S}_B{\rho }_B{E}_t^{\prime },$

式中S_B为积分球上激光入口的球面积，

半透明待测试件的第四辐射能量值E_t0为：

$E_{t0}=\frac{{\rho }_w{\phi }_o}{{4\mathrm{\pi r}}^2[1-{\rho }_w(1-f)]},$

根据上述公式计算获得半透明待测试件的透射率τ为：

$\tau =\frac{E_t}{E_{t0}}·{[1+\frac{{\rho }_w\rho S_B}{{4\mathrm{\pi r}}^2[1-{\rho }_w(1-f)]}]}^{-1}.$

计算获得半透明待测试件在设定实验温度下的光谱法向发射率ε的具体方法为：

半透明待测试件的光谱吸收率α的表达式为：

$\alpha =1-{\rho }_B-\tau =1-\frac{E_r-E_r^{\prime }}{E_{r0}-E_{r0}^{\prime }}{\rho }_0-\frac{E_t}{E_{t0}}·{[1+\frac{{\rho }_w\rho S_B}{{4\mathrm{\pi r}}^2[1-{\rho }_w(1-f)]}]}^{-1},$

再根据基尔霍夫定律，获得半透明待测试件在设定实验温度下的光谱法向发射率ε 为：

ε=α=1-ρ_B-τ。

半透明待测试件为圆形试件，其直径为50mm。

半透明待测试件的加热范围为300K～1000K，K表示开氏温度，半透明待测试件的 测量波段为1064μm。

激光器的预热时间不少于15分钟。

本发明的优点：本发明测量方法实现了利用积分球分别对半透明待测试件的反射率和 透射率进行测量，继而根据基尔霍夫定律得到半透明待测试件的光谱法向发射率。它提供 了一种可靠的对半透明材料近红外波段光谱法向发射率进行准确测量的测量方法，可以广 泛应用于航空航天、军事、能源、化工、以及大气科学等诸多领域。

本发明测量方法操作简便，测量快速、准确。

附图说明

图1是本发明所述基于积分球反射及透射的半透明材料光谱法向发射率测量方法中 半透明待测试件反射率的测量原理图；图中A所在虚线框为温度控制系统，B所在虚线 框为探测系统，C所在虚线框为激光系统；

图2是本发明所述基于积分球反射及透射的半透明材料光谱法向发射率测量方法中 半透明待测试件透射率的测量原理图。

图中标记1为固定在半透明待测试件上的加热板，标记2为热电偶，标记3为探测器 的探头，标记4为激光器。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述基于积分球 反射及透射的半透明材料光谱法向发射率测量方法，它包括以下步骤：

步骤一：将半透明待测试件固定在积分球的试件口处；将激光器固定在积分球的激光 入口处，并将激光器输出激光束的中心对准半透明待测试件内表面的中心位置；将激光功 率计探测器的探头固定在积分球的探测器口处；

步骤二：预热激光器，同时加热半透明待测试件至设定实验温度后，打开激光功率计 开关，待探测器示数稳定后，记录此时未有激光照射时，探测器探测到的半透明待测试件 的第一辐射能量值E_r′；

步骤三：使激光器发射激光束照射半透明待测试件，待探测器示数稳定后，记录此时 探测器探测到的半透明待测试件的第二辐射能量值E_r；

步骤四：将激光器移至半透明待测试件外表面侧，使激光束沿垂直于半透明待测试件 表面方向透射进入积分球，同时将积分球的激光入口用球塞封闭，该球塞与积分球的材质 相同，待探测器示数稳定后，记录此时探测器探测到的半透明待测试件的第三辐射能量值 E_t；

步骤五：移走半透明待测试件，保持步骤四中激光束的入射方向不变，待探测器示数 稳定后，记录此时探测器探测到的半透明待测试件的第四辐射能量值E_t0；

步骤六：再将激光器固定在积分球的激光入口处，并将反射率为ρ₀的标准反射体固 定在积分球的试件口处，使激光器发射激光束照射标准反射体内表面的中心位置，待探测 器示数稳定后，记录此时探测器探测到的标准反射体的第五辐射能量值E_r0；

步骤七：再关闭激光器，待探测器示数稳定后，记录此时探测器探测到的标准反射体 未有激光照射时的第六辐射能量值E_r′₀；

步骤八：根据基于积分球的反射率计算公式，由第一辐射能量值E_r′、第二辐射能量 值E_r、第五辐射能量值E_r0和第六辐射能量值E_r′₀，计算获得半透明待测试件的反射率 ρ_B；

步骤九：根据基于积分球的透射率计算公式，由第三辐射能量值E_t和第四辐射能量 值E_t0，计算获得半透明待测试件的透射率τ；

步骤十：根据基尔霍夫定律，由半透明待测试件的反射率ρ_B和半透明待测试件的透 射率τ计算获得半透明待测试件在设定实验温度下的光谱法向发射率ε。

本实施方式中，半透明待测试件上固定有加热器，激光器的光路需要调整以对准试件 内表面中心位置，激光器的开关通过激光器的控制钥匙控制。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式中，步骤八中 所述计算获得半透明待测试件的反射率ρ_B的具体方法为：

当积分球的试件口处固定设置半透明待测试件时，第二辐射能量值E_r的表达式为：

$E_r=\frac{{\rho }_w{\rho }_B{\phi }_o(1-f)}{{4\mathrm{\pi r}}^2[1-{\rho }_w(1-f)]},$

式中ρ_w为积分球内壁反射率；

φ_o为激光器发射激光束的光通量；

f为积分球上试件口的球面面积与积分球总的内反射表面积之比，该积分球总的内反 射表面积包括积分球上所有开口球面面积；

r为积分球半径；

反射率为ρ₀的标准反射体的第五辐射能量值E_r0的表达式为：

$E_{r0}=\frac{{\rho }_w{\rho }_B{\phi }_o(1-f)}{{4\mathrm{\pi r}}^2[1-{\rho }_w(1-f)]};$

由上述两个辐射能量表达式计算获得半透明待测试件的反射率ρ_B为：

${\rho }_B=\frac{E_r}{E_{r0}}{\rho }_0;$

由于半透明待测试件、标准反射体和积分球内壁的自身辐射，当积分球的试件口处固 定设置半透明待测试件或标准反射体，并未有激光照射时，考虑半透明待测试件及标准反 射体自身辐射时的半透明待测试件的反射率ρ_B为：

${\rho }_B=\frac{E_r-E_r^{\prime }}{E_{r0}-E_{r0}^{\prime }}{\rho }_0.$

第二辐射能量值E_r的推导过程为：根据积分球上任意一点D上产生的辐照度由漫射 试件表面直接照射D点产生的一次辐照度、从试件表面反射到球壁其它部分再漫反射到 D点而产生的二次辐照度，以及从球壁一次漫反射再经球壁二次漫反射到D点而产的三 次辐照度叠加而成。再经推导得出第二辐射能量值E_r的表达式。

实际测量过程中，由于半透明待测试件、标准反射体和积分球内壁的自身辐射，会在 探测器上产生一个信号。分别放置半透明待测试件及标准反射体并不提供激光照射时，探 测器输出的信号分别为E_r′₀、E_r′，因此，考虑半透明待测试件及标准反射体自身辐射时的 半透明待测试件的反射率ρ_B为：

${\rho }_B=\frac{E_r-E_r^{\prime }}{E_{r0}-E_{r0}^{\prime }}{\rho }_0.$

具体实施方式三：本实施方式对实施方式二作进一步说明，本实施方式中步骤九中所 述计算获得半透明待测试件的透射率τ的具体方法为：

根据积分球的基本原理，当积分球的试件口处固定设置半透明待测试件时，积分球内 壁任意一点处的辐照度E_t′为：

$E_t^{\prime }=\frac{{\rho }_w\tau {\phi }_o}{{4\mathrm{\pi r}}^2[1-{\rho }_w(1-f)]};$

则探测器探测到的半透明待测试件的第三辐射能量值E_t；

E_t=E_t′+E_B，

E_B为积分球的试件口处固定设置半透明待测试件时，由半透明待测试件反射引起的 辐射能量补偿项，其表达式为：

$E_B=\frac{{\rho }_w}{{4\mathrm{\pi r}}^2[1-{\rho }_w(1-f)]}{S}_B{\rho }_B{E}_t^{\prime },$

式中S_B为积分球上激光入口的球面积，

半透明待测试件的第四辐射能量值E_t0为：

$E_{t0}=\frac{{\rho }_w{\phi }_o}{{4\mathrm{\pi r}}^2[1-{\rho }_w(1-f)]},$

根据上述公式计算获得半透明待测试件的透射率τ为：

$\tau =\frac{E_t}{E_{t0}}·{[1+\frac{{\rho }_w\rho S_B}{{4\mathrm{\pi r}}^2[1-{\rho }_w(1-f)]}]}^{-1}.$

本实施方式中，根据积分球的基本原理，透过试件进入积分球内的辐射在球内经过多 次漫反射后，均匀照射在球内壁上，则球内壁任意一点处辐照度为E_t′；在透射率测量过 程中，移走试件后积分球上会出现试件大小的缺口，部分反射辐射会从此缺口溢出，但是 在存在试件时该部分辐射会被试件所反射，所以还存在由半透明待测试件反射引起的辐射 能量补偿项E_B。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式三作进一步说明，本实施方式中，计算获得 半透明待测试件在设定实验温度下的光谱法向发射率ε的具体方法为：

半透明待测试件的光谱吸收率α的表达式为：

$\alpha =1-{\rho }_B-\tau =1-\frac{E_r-E_r^{\prime }}{E_{r0}-E_{r0}^{\prime }}{\rho }_0-\frac{E_t}{E_{t0}}·{[1+\frac{{\rho }_w\rho S_B}{{4\mathrm{\pi r}}^2[1-{\rho }_w(1-f)]}]}^{-1},$

再根据基尔霍夫定律，获得半透明待测试件在设定实验温度下的光谱法向发射率ε 为：

ε=α=1-ρ_B-τ。

具体实施方式五：本实施方式对实施方式一、二、三或四作进一步说明，本实施方式 所述半透明待测试件为圆形试件，其直径为50mm。

具体实施方式六：本实施方式对实施方式一、二、三、四或五作进一步说明，本实施 方式所述半透明待测试件的加热范围为300K～1000K，K表示开氏温度，半透明待测试 件的测量波段为1064μm。

具体实施方式七：本实施方式对实施方式一、二、三、四、五或六作进一步说明，本 实施方式所述激光器的预热时间不少于15分钟。