本發(fā)明屬于材料熱物性測量裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多功能光譜發(fā)射率測量裝置及其測量方法。

背景技術(shù)：

材料的光譜發(fā)射率是表征材料表面紅外輻射能力大小的物理量，是一項重要的熱物性參數(shù)，在輻射測溫、紅外制導和紅外加熱等領(lǐng)域有著重要的應用價值。近年來，隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的快速發(fā)展，對材料光譜發(fā)射率的測量提出了新的挑戰(zhàn)，在很多光譜發(fā)射率應用技術(shù)領(lǐng)域，如光伏材料、導彈蒙皮和衛(wèi)星遙感等，都需要精確的光譜發(fā)射率數(shù)據(jù)。因此，精確的測量材料表面的光譜發(fā)射率具有非常重要的實際意義。

光譜發(fā)射率是實際物體與同溫度標準黑體在相同條件下的輻射功率之比。然而在實際工作中材料的熱輻射特性在不同波長及不同方向上是不相同的，因此可分為半球全發(fā)射率、半球光譜發(fā)射率、法向光譜發(fā)射率和方向光譜發(fā)射率等，不同發(fā)射率所用的測量方法也不同。如基于量熱法研制的發(fā)射率測量裝置主要用于測量光譜全發(fā)射率，基于多波長法研制的發(fā)射率測量裝置多用于測量有限不連續(xù)波長的法向光譜發(fā)射率，而利用單色儀和傅里葉紅外光譜儀作為分光器件研制的發(fā)射率測量裝置多用于測量連續(xù)波長的法向光譜發(fā)射率。目前大部分的測量裝置只能通過一種方法來實現(xiàn)對某種光譜發(fā)射率的測量，功能性單一，且測量的多數(shù)為材料的法向光譜發(fā)射率，能夠測量連續(xù)角度的方向光譜發(fā)射率較少。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有光譜發(fā)射率測量裝置存在的局限性，利用橢球的幾何性質(zhì)設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單且方便使用的多功能光譜發(fā)射率測量裝置及其測量方法，該測量裝置不僅能夠利用能量對比法實現(xiàn)材料法向光譜發(fā)射率和方向光譜發(fā)射率的測量，而且通過巧妙的設(shè)計，能夠基于反射法原理解決樣品表面精確測溫的難題，并且能夠同時利用反射法原理實現(xiàn)材料光譜發(fā)射率的測量，利用該測量裝置可以實現(xiàn)兩種不同原理測量方法的光譜發(fā)射率測量，體現(xiàn)了該測量裝置的多功能性，對于材料光譜發(fā)射率的科學研究和實際應用具有重要意義。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案，多功能光譜發(fā)射率測量裝置，其特征在于包括步進電機A、步進電機B、橢圓臂A、橢圓臂B、橢圓反射鏡A、橢圓反射鏡B、電動可調(diào)反射鏡、拋物面反射鏡、平板樣品加熱器、標準黑體爐、探測裝置和控制裝置，其中平板樣品加熱器中樣品的表面中心、標準黑體爐中標準黑體的孔徑中心及電動可調(diào)反射鏡的鏡面中心處于同一水平面上并且它們之間的距離兩兩相等，標準黑體的孔徑中心正上方設(shè)有與以標準黑體的孔徑中心和電動可調(diào)反射鏡的鏡面中心為焦點的橢球體外壁一致的橢圓反射鏡B，該橢圓反射鏡B的鏡面中心位置通過橢圓臂B與步進電機B的轉(zhuǎn)軸固定連接，用于實現(xiàn)橢圓反射鏡B以橢圓反射鏡B的鏡面中心為旋轉(zhuǎn)點水平旋轉(zhuǎn)60°以使橢圓反射鏡B與以標準黑體的孔徑中心和樣品的表面中心為焦點的橢球體外壁一致；樣品的表面中心正上方設(shè)有與以樣品的表面中心和電動可調(diào)反射鏡的鏡面中心為焦點的橢球體外壁一致的橢圓反射鏡A，該橢圓反射鏡A的鏡面中心位置與橢圓臂A頂部相連接，且橢圓臂A的底部與步進電機A的轉(zhuǎn)軸固定連接，用于實現(xiàn)橢圓反射鏡A的鏡面中心在以樣品的表面中心為圓心、以樣品的表面中心與橢圓反射鏡A的鏡面中心之間的距離為半徑形成的半圓弧線上旋轉(zhuǎn)，并且該半圓弧線和樣品的表面中心所在的平面與樣品的表面中心和電動可調(diào)反射鏡的鏡面中心的連線垂直，旋轉(zhuǎn)過程中橢圓反射鏡A始終與以樣品的表面中心和電動可調(diào)反射鏡的鏡面中心為焦點的橢球體外壁一致；電動可調(diào)反射鏡的一側(cè)設(shè)有用于反射電動可調(diào)反射鏡反射輻射能量的拋物面反射鏡，該拋物面反射鏡的一側(cè)設(shè)有用于接收拋物面反射鏡反射輻射能量的探測裝置，所述的平板樣品加熱器、標準黑體爐、探測裝置、步進電機A、步進電機B和電動可調(diào)反射鏡分別通過線路與控制裝置電性連接。

本發(fā)明所述的多功能光譜發(fā)射率測量裝置的測量方法，其特征在于具體步驟為：(1)在控制裝置上設(shè)定需要加熱的溫度，開啟平板樣品加熱器和標準黑體爐分別對樣品和標準黑體同時進行加熱并保持樣品溫度與標準黑體溫度的同步性；(2)待溫度穩(wěn)定后，通過控制裝置控制步進電機A帶動橢圓臂A旋轉(zhuǎn)，調(diào)整測量角度θ，測量角度為θ時樣品的輻射能量；(3)通過控制裝置調(diào)整電動可調(diào)反射鏡，使樣品的輻射能量或者標準黑體的輻射能量能夠通過電動可調(diào)反射鏡反射至拋物面反射鏡，然后到達探測裝置；(4)分別測得樣品的光譜輻射能量值和標準黑體的輻射能量值，然后進行比值計算即可得到角度θ方向的樣品方向光譜發(fā)射率。

進一步優(yōu)選，所述的測量角度θ的范圍為0°-85°。

本發(fā)明所述的多功能光譜發(fā)射率測量裝置的測量方法，其特征在于具體步驟為：(1)在控制裝置上設(shè)定需要加熱的溫度，開啟平板樣品加熱器和標準黑體爐分別對樣品和標準黑體同時進行加熱并保持樣品溫度與標準黑體溫度的同步性；(2)通過控制裝置調(diào)整電動可調(diào)反射鏡使其反射標準黑體輻射能量反射至探測裝置，測量結(jié)果為P1；(3)通過控制裝置調(diào)整電動可調(diào)反射鏡使其反射樣品的輻射能量反射至探測裝置，測量結(jié)果為P2；(4)通過控制裝置控制步進電機B調(diào)整標準黑體正上方的橢圓反射鏡B，使橢圓反射鏡B以橢圓反射鏡B的鏡面中心為旋轉(zhuǎn)點水平旋轉(zhuǎn)60°以使橢圓反射鏡B與以標準黑體的孔徑中心和樣品的表面中心為焦點的橢球體外壁一致進而使標準黑體的輻射能量反射到樣品表面，該輻射能量經(jīng)樣品表面反射后經(jīng)橢圓反射鏡A反射至電動可調(diào)反射鏡，最后到達探測裝置，此時測量的能量為P3；(5)根據(jù)公式P₃＝P₂+P₁γ，基爾霍夫定律γ＝1-ε，γ為樣品反射率，ε為樣品的方向光譜發(fā)射率，計算求得樣品的方向光譜發(fā)射率；(6)由測得的樣品能量和計算得到的方向光譜發(fā)射率，再根據(jù)普朗克公式即可求得樣品表面的精確溫度。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：

1、實現(xiàn)了一個裝置用兩種不同的測量方法測量材料的光譜發(fā)射率，通過兩種方法測得的數(shù)據(jù)進行對比，有利于提高測量數(shù)據(jù)的準確性；

2、該測量裝置通過兩個步進電機帶動的橢圓反射鏡同步調(diào)節(jié)實現(xiàn)了材料方向發(fā)射率的連續(xù)測量，避免了傳統(tǒng)測量方法中旋轉(zhuǎn)樣品或探測器造成的光路對準困難的題；

3、該測量裝置的加熱設(shè)備、標準黑體和探測裝置可以根據(jù)需要測量的溫度范圍、測量波長進行更換，提高了測量裝置的靈活性和適用性；

4、該測量裝置通過反射法輻射測溫技術(shù)實現(xiàn)了樣品表面精確溫度的測量；

5、該測量裝置測量角度范圍大，能夠測量材料在0°-85°角度范圍的光譜發(fā)射率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1、步進電機A，2、步進電機B，3、橢圓臂A，4、橢圓反射鏡A，5、橢圓反射鏡B，6、電動可調(diào)反射鏡，7、拋物面反射鏡，8、平板樣品加熱器，9、標準黑體爐，10、探測裝置，11、控制裝置。

具體實施方式

結(jié)合附圖詳細描述本發(fā)明的具體內(nèi)容。多功能光譜發(fā)射率測量裝置，包括步進電機A1、步進電機B2、橢圓臂A3、橢圓臂B、橢圓反射鏡A4、橢圓反射鏡B5、電動可調(diào)反射鏡6、拋物面反射鏡7、平板樣品加熱器8、標準黑體爐9、探測裝置10和控制裝置11，其中平板樣品加熱器8中樣品的表面中心、標準黑體爐9中標準黑體的孔徑中心及電動可調(diào)反射鏡6的鏡面中心處于同一水平面上并且它們之間的距離兩兩相等，標準黑體的孔徑中心正上方設(shè)有與以標準黑體的孔徑中心和電動可調(diào)反射鏡6的鏡面中心為焦點的橢球體外壁一致的橢圓反射鏡B5，該橢圓反射鏡B5的鏡面中心位置通過橢圓臂B與步進電機B2的轉(zhuǎn)軸固定連接，用于實現(xiàn)橢圓反射鏡B5以橢圓反射鏡B5的鏡面中心為旋轉(zhuǎn)點水平旋轉(zhuǎn)60°以使橢圓反射鏡B5與以標準黑體的孔徑中心和樣品的表面中心為焦點的橢球體外壁一致；樣品的表面中心正上方設(shè)有與以樣品的表面中心和電動可調(diào)反射鏡6的鏡面中心為焦點的橢球體外壁一致的橢圓反射鏡A4，該橢圓反射鏡A4的鏡面中心位置與橢圓臂A3頂部相連接，且橢圓臂A3的底部與步進電機A1的轉(zhuǎn)軸固定連接，用于實現(xiàn)橢圓反射鏡A4的鏡面中心在以樣品的表面中心為圓心、以樣品的表面中心與橢圓反射鏡A4的鏡面中心之間的距離為半徑形成的半圓弧線上旋轉(zhuǎn)，并且該半圓弧線和樣品的表面中心所在的平面與樣品的表面中心和電動可調(diào)反射鏡6的鏡面中心的連線垂直，旋轉(zhuǎn)過程中橢圓反射鏡A4始終與以樣品的表面中心和電動可調(diào)反射鏡6的鏡面中心為焦點的橢球體外壁一致；電動可調(diào)反射鏡6的一側(cè)設(shè)有用于反射電動可調(diào)反射鏡6反射輻射能量的拋物面反射鏡7，該拋物面反射鏡7的一側(cè)設(shè)有用于接收拋物面反射鏡7反射輻射能量的探測裝置10，所述的平板樣品加熱器8、標準黑體爐9、探測裝置10、步進電機A1、步進電機B2和電動可調(diào)反射鏡6分別通過線路與控制裝置11電性連接。

本發(fā)明所述的多功能光譜發(fā)射率測量裝置的測量方法，具體步驟為：(1)在控制裝置上設(shè)定需要加熱的溫度，開啟平板樣品加熱器和標準黑體爐分別對樣品和標準黑體同時進行加熱并保持樣品溫度與標準黑體溫度的同步性；(2)待溫度穩(wěn)定后，通過控制裝置控制步進電機A帶動橢圓臂A旋轉(zhuǎn)，調(diào)整測量角度θ，測量角度為θ時樣品的輻射能量；(3)通過控制裝置調(diào)整電動可調(diào)反射鏡，使樣品的輻射能量或者標準黑體的輻射能量能夠通過電動可調(diào)反射鏡反射至拋物面反射鏡，然后到達探測裝置；(4)分別測得樣品的光譜輻射能量值和標準黑體的輻射能量值，然后進行比值計算即可得到角度θ方向的樣品方向光譜發(fā)射率。

本發(fā)明所述的多功能光譜發(fā)射率測量裝置的測量方法，具體步驟為：(1)在控制裝置上設(shè)定需要加熱的溫度，開啟平板樣品加熱器和標準黑體爐分別對樣品和標準黑體同時進行加熱并保持樣品溫度與標準黑體溫度的同步性；(2)通過控制裝置調(diào)整電動可調(diào)反射鏡使其反射標準黑體輻射能量反射至探測裝置，測量結(jié)果為P1；(3)通過控制裝置調(diào)整電動可調(diào)反射鏡使其反射樣品的輻射能量反射至探測裝置，測量結(jié)果為P2；(4)通過控制裝置控制步進電機B調(diào)整標準黑體正上方的橢圓反射鏡B，使橢圓反射鏡B以橢圓反射鏡B的鏡面中心為旋轉(zhuǎn)點水平旋轉(zhuǎn)60°以使橢圓反射鏡B與以標準黑體的孔徑中心和樣品的表面中心為焦點的橢球體外壁一致，進而使標準黑體的輻射能量反射到樣品表面，該輻射能量經(jīng)樣品表面反射后經(jīng)橢圓反射鏡A反射至電動可調(diào)反射鏡，最后到達探測裝置，此時測量的能量為P3；(5)根據(jù)公式P₃＝P₂+P₁γ，基爾霍夫定律γ＝1-ε，γ為樣品反射率，ε為樣品的方向光譜發(fā)射率，計算求得樣品的方向光譜發(fā)射率；(6)由測得的樣品能量和計算得到的方向光譜發(fā)射率，再根據(jù)普朗克公式即可求得樣品表面的精確溫度。

當樣品上方的橢圓反射鏡A旋轉(zhuǎn)至θ角度時，可以用向量來表示樣品輻射方向。此時樣品輻射向量n₁＝(2f,Rsinθ,Rcosθ)，經(jīng)過歸一化處理后，樣品輻射向量假設(shè)樣品輻射經(jīng)過電動可調(diào)反射鏡反射后的出射輻射向量歸一化處理后n₂＝(0,1,0)，出射輻射始終延同一光路保持不變，即向量n₂不發(fā)生改變。假設(shè)電動可調(diào)反射鏡的中心法向量為n₃，要想使樣品輻射經(jīng)過可調(diào)平面反射鏡反射后沿著出射輻射射出，則可調(diào)反射鏡的法向量因此當橢圓結(jié)構(gòu)和出射輻射方向確定時，電動可調(diào)反射鏡的法向量即電動可調(diào)反射鏡方向只與測量樣品輻射時的旋轉(zhuǎn)角度θ有關(guān)。通關(guān)控制裝置使得測量樣品方向輻射時，保持橢圓反射鏡A與電動可調(diào)反射鏡的動態(tài)關(guān)系，即可保證測量樣品輻射時出射光路的穩(wěn)定不變。當測量標準黑體輻射時，因為橢圓反射鏡B的位置固定不變，所以黑體輻射的方向不發(fā)生改變。為了保證光路的一致性，標準黑體輻射經(jīng)電動可調(diào)反射鏡反射后的出射方向與樣品輻射的出射方向一致。因此測量標準黑體輻射時，電動可調(diào)平面鏡的方向唯一且不發(fā)生改變，可以通過激光來驗證光路確認該位置，并記錄該位置。利用控制裝置對電動可調(diào)反射鏡的調(diào)節(jié)即可實現(xiàn)選擇對樣品輻射或標準黑體輻射進行測量。通過這種特殊的設(shè)計，本測量裝置不僅可以測量特定角度下材料的方向發(fā)射率，還可以實現(xiàn)材料方向發(fā)射率的連續(xù)測量。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理，主要特征和優(yōu)點，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明的范圍。