本發(fā)明尤其涉及材料發(fā)射率測量系統(tǒng)中的黑體及樣品加熱裝置的結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

背景技術(shù)：

光譜發(fā)射率是表征物體熱輻射能力的無量綱物理量，數(shù)值上等于物體與相同溫度黑體之間的輻射能量比，表征了材料發(fā)射率與輻射波長之間的依賴關(guān)系，發(fā)射率測量值大小說明物體在不同光譜區(qū)域輻射能力的強弱，對促進(jìn)輻射測溫技術(shù)的發(fā)展，提高高溫輻射材料的理論設(shè)計水平和實際制備工藝具有重要的現(xiàn)實意義和良好的應(yīng)用前景。

光譜發(fā)射率測量方法主要有多光譜法、反射計法和能量法。能量法也稱能量比較法，通過測量相同溫度的物體與黑體輻射能量，計算兩者的比值，實現(xiàn)發(fā)射率的測量。能量法不僅克服了量熱法對測量環(huán)境的真空度要求高、反射計法對參考反射標(biāo)準(zhǔn)的依賴等缺點，同時還具有光譜分辨率高、范圍寬、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。

能量法光譜發(fā)射率測量裝置如圖1所示，其黑體加熱裝置01和試樣加熱裝置02獨立設(shè)置，黑體加熱裝置01、試樣加熱裝置02分別經(jīng)過轉(zhuǎn)鏡03進(jìn)入到傅里葉光譜儀04；所述的黑體加熱裝置01包括黑體腔011、黑體加熱體012、絕熱材料013、外殼014、電極015、控溫裝置016；所述的試樣加熱裝置02包括內(nèi)置導(dǎo)熱體027的試樣體021、試樣加熱體022、絕熱材料023、外殼024、與導(dǎo)熱體相通的電極025、控溫裝置026。相同溫度t時，材料表面和黑體發(fā)射的不同波長的光譜輻射，經(jīng)過調(diào)整光路進(jìn)入到傅里葉光譜儀的入射口，光譜輸出的響應(yīng)信號和分別表示為：

，(1)

式中r(λ)為光譜儀的光譜響應(yīng)函數(shù),f(d)是測量系統(tǒng)的光學(xué)常數(shù)，ls(λ,t)和lbb(λ,t)分別是溫度t時材料表面和黑體的光譜輻射亮度值，ln(te)為與環(huán)境溫度te有關(guān)的噪聲輻射亮度值。

根據(jù)發(fā)射率的定義，材料的光譜發(fā)射率為：

，(2)

對于光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)，不同溫度下光譜輻射亮度是通過對材料和黑體進(jìn)行加熱控溫獲得的。因此，材料和黑體加熱裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計尤為重要，直接決定了光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和重復(fù)度。而在傳統(tǒng)的能量法光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)中，材料和黑體加熱控溫裝置是相互獨立的，材料加熱裝置和黑體需要兩套不同結(jié)構(gòu)的加熱部件及控溫裝置，導(dǎo)致測量系統(tǒng)的功耗和體積都很大，而且很難保證材料與黑體溫度的一致性，影響光譜發(fā)射率測量結(jié)果的準(zhǔn)確度和重復(fù)度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為提高光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和重復(fù)度，本發(fā)明提供了一種適用于光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)的黑體與試樣一體式加熱裝置及方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案，本發(fā)明包括黑體腔和試樣，試樣設(shè)在黑體腔的腔底，黑體腔和試樣之間設(shè)有基底，黑體腔的左右側(cè)均設(shè)有腔壁，腔壁外均設(shè)有絕緣管，絕緣管外均設(shè)有加熱管，加熱管外均設(shè)有隔熱管，隔熱管外均設(shè)有水冷壁，黑體腔的腔口處的水冷壁的端口處設(shè)有水冷接口；加熱管之間設(shè)有電極，電極之間設(shè)有控溫裝置；黑體腔和試樣的光譜輻射分別通過調(diào)整光路中的轉(zhuǎn)鏡進(jìn)入到光譜儀中。

進(jìn)一步改進(jìn)技術(shù)方案，隔熱管與水冷壁之間靠近黑體腔腔口的連接處設(shè)有密封層；

優(yōu)選地，密封層采用高溫膠密封層。

優(yōu)選地，黑體腔和試樣之間設(shè)有石墨基底，黑體腔的左右側(cè)均設(shè)有石墨腔壁；

優(yōu)選地，絕緣管采用剛玉絕緣管；

優(yōu)選地，加熱管采用鎢加熱管；

優(yōu)選地，隔熱管采用莫來石隔熱管；

優(yōu)選地，水冷壁采用不銹鋼水冷壁；

優(yōu)選地，黑體腔為等溫腔。

本發(fā)明的一體化加熱方法，采用電阻式加熱方式，利用鎢加熱管作為加熱體產(chǎn)生高溫?zé)崃?，以剛玉絕緣管為導(dǎo)熱體將熱量傳遞到石墨管壁和石墨基底，進(jìn)而形成黑體的等溫腔；石墨基底不僅是黑體等溫腔的腔底，也是試樣加熱過程的導(dǎo)熱體，將熱量傳遞到待測試樣，使試樣具有與黑體相同的溫度，采用一套加熱和控溫裝置同時實現(xiàn)對黑體和試樣的加熱和溫度控制，降低了黑體與試樣之間的溫度差異性，提高了發(fā)射率測量結(jié)果的準(zhǔn)確度和重復(fù)度。

本發(fā)明有益效果：

本發(fā)明的一體式加熱結(jié)構(gòu)，一方面克服了傳統(tǒng)的獨立式黑體和試樣加熱結(jié)構(gòu)應(yīng)用于光譜發(fā)射率測量過程中產(chǎn)生的黑體與試樣之間的溫度差異性，提高了發(fā)射率測量結(jié)果的準(zhǔn)確度和重復(fù)度。同時，該方法簡化了黑體和試樣加熱裝置的結(jié)構(gòu)，降低了成本，使發(fā)射率測量系統(tǒng)的緊湊型和經(jīng)濟性顯著提高。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)的黑體腔及試樣分別獨立加熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的一體化加熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

1-黑體腔，2-試樣，3-基底，4-腔壁，5-絕緣管，6-加熱管，7-隔熱管，8-水冷壁，9-電極，10-控溫裝置，11-密封層，12-腔口，13-水冷接口，14-轉(zhuǎn)鏡，15-光譜儀。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖2對本發(fā)明做進(jìn)一步技術(shù)描述：

如圖2所示，本發(fā)明包括黑體腔1和試樣2，試樣2設(shè)在黑體腔1的腔底，黑體腔1和試樣2之間設(shè)有基底3，黑體腔1的左右側(cè)均設(shè)有腔壁4，腔壁4外均設(shè)有絕緣管5，絕緣管5外均設(shè)有加熱管6，加熱管6外均設(shè)有隔熱管7，隔熱管7外均設(shè)有水冷壁8，黑體腔1的腔口12處的水冷壁8的端口處設(shè)有水冷接口13；加熱管6之間設(shè)有電極9，電極9之間設(shè)有控溫裝置10；黑體腔1和試樣2的光譜輻射分別通過調(diào)整光路中的轉(zhuǎn)鏡14進(jìn)入到光譜儀15中。

加熱管采用內(nèi)徑25.4mm、厚1mm、長200mm的高純鎢加熱管（純度99.99%），其作為加熱體，加熱電壓作用于電極9，電極9間產(chǎn)生的電流經(jīng)過鎢加熱管時產(chǎn)生熱量，通過調(diào)節(jié)電極9上的加熱電壓改變鎢加熱管的加熱電流，可使鎢加熱管4的溫度達(dá)到3000℃以上（高真空環(huán)境）。

黑體腔和試樣之間設(shè)有石墨基底，黑體腔的左右側(cè)均設(shè)有石墨腔壁；石墨基底1不僅是等溫黑體的腔底，同時也是試樣2加熱過程中的導(dǎo)熱體，將鎢加熱管4的熱量傳遞至試樣，高純石墨具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性，有利于熱量均勻、高效的傳遞，保證了黑體溫度與試樣溫度的一致性。

絕緣管采用剛玉絕緣管；由于剛玉（99高純al2o3）是良好的耐高溫導(dǎo)熱材料，可將絕大部分熱量經(jīng)剛玉絕緣管傳遞至石墨腔壁和石墨基底，獲得測量所需的高溫黑體等溫腔；同時，剛玉也是良好的絕緣材料，防止石墨腔壁和石墨基底帶電，避免金屬基底試樣2加熱時發(fā)生短路現(xiàn)象，破壞加熱和控溫裝置10。

隔熱管采用莫來石隔熱管；多孔輕質(zhì)多晶莫來石（al2o3-sio2）是良好的耐高溫絕熱材料，莫來石隔熱管的作用是阻止熱量傳遞至不銹鋼水冷壁，減少加熱裝置的熱損失，降低功率損耗。

水冷壁采用不銹鋼水冷壁；莫來石隔熱管與不銹鋼水冷壁之間靠近黑體腔腔口的連接處設(shè)有高溫膠密封層；高溫膠密封膠層起到密封作用，抑制鎢加熱管的高溫氧化，延長加熱裝置的使用壽命。

本發(fā)明的一體化加熱方法，采用電阻式加熱方式，利用鎢加熱管作為加熱體產(chǎn)生高溫?zé)崃?，以剛玉絕緣管為導(dǎo)熱體將熱量傳遞到石墨管壁和石墨基底，進(jìn)而形成黑體的等溫腔；石墨基底不僅是黑體等溫腔的腔底，也是試樣加熱過程的導(dǎo)熱體，將熱量傳遞到待測試樣，使試樣具有與黑體相同的溫度，采用一套加熱和控溫裝置同時實現(xiàn)對黑體和試樣的加熱和溫度控制，降低了黑體與試樣之間的溫度差異性，提高了發(fā)射率測量結(jié)果的準(zhǔn)確度和重復(fù)度。

本發(fā)明的一體式加熱裝置具有溫度一致性好，結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低、壽命長的優(yōu)點，可在光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。

本發(fā)明不局限于上述的優(yōu)選實施例，凡是與本發(fā)明具有相同或者相近似的技術(shù)方案，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。