一种低导热率非导体材料高温半球发射率测量方法与系统

摘要

本发明涉及一种低导热率非导体材料高温半球发射率测量方法与系统。该方法利用材料常温、高温、法向、半球发射率的关系，通过测量常温半球发射率、常温法向发射率及高温法向发射率，导出材料高温半球发射率。测量系统包括常温半球发射率测量装置、常温法向发射率测量装置及高温法向发射率测量装置。本发明通过间接测量的方式，得出高温半球发射率，实现了低导热率非导体材料高温半球发射率测量途径，测量过程科学，结果准确可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及材料高温半球发射率测量技术领域，尤其涉及一种低导热率非导体材料高温半球发射率测量方法与系统。

背景技术

低导热率非导体材料普遍用于高温热防护及隔热结构。高温半球发射率作为极其重要的热物性参数，直接影响热防护及隔热性能。

目前，材料高温半球发射率测量主要采用辐射热平衡法和温度衰减法。辐射热平衡法原理主要是将被测样品通电加热，并保持输入电功率稳定，直到样品与周围真空室达到热平衡。由于材料样品处于真空环境中，样品本身通过热传导和对流的热损耗基本上可忽略。在达到热平衡的条件下，输入给材料样品的稳定电功率几乎全部以辐射的形式散失掉。根据热平衡方程，求解得出高温半球发射率。由于辐射热平衡法测量高温半球发射率时，必须使材料样品与真空室达成热平衡状态，所需的测量时间一般比较长。温度衰减法，可在非稳态下测量，缩短测量时间。其测量原理为把一个表面积较大而质量较小的样品悬挂在具有冷却内壁的真空室内，并加热到测量温度。停止加热后，测量材料样品的冷却速率。从冷却速率和已知的材料样品表面积、质量和比热，计算出辐射热损耗速率，从而求出材料的高温半球发射率。

辐射热平衡法主要针对导体材料进行通电加热；温度衰减法可采用通电加热、光照加热或电圈加热，通电加热无法对非导体材料进行加热，光照加热或电圈加热对低导热率材料加热效率低，温度衰减法需要已知的比热参数，也较难准确测量。另外，上述两种方法仅可测量材料半球积分发射率，无法获取材料光谱发射率。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种低导热率非导体材料高温半球发射率测量方法与系统，用以解决现有技术无法测量低导热率非导体材料的高温半球发射率的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种低导热率非导体材料高温半球发射率测量方法，包括如下步骤：

S1、测量被测样品的常温半球发射率；

S2、测量被测样品的常温法向发射率；

S3、测量被测样品的高温法向发射率；

S4、通过被测样品的常温半球发射率、常温法向发射率、高温法向发射率，得到被测样品的高温半球发射率。

步骤S1中，常温半球发射率包括：常温半球光谱发射率、常温半球积分发射率；

步骤S1具体为：

将被测样品放置在积分球的内表面，打开宽波段平行光源，并保证宽波段平行光源照射被测样品的方向与被测样品的法向夹角为8°，启动积分球傅里叶光谱仪，收集被测样品漫反射光束经积分球匀化后的能量，获取测量光谱能量E_λsh；将标准反射率试样放置在积分球的内表面，打开宽波段平行光源，启动积分球傅里叶光谱仪，获取测量光谱能量E_λbh；

则被测样品的常温半球光谱发射率ε_λsh为：

式中，ρ_λbh为标准反射率试样半球光谱反射率；

被测样品的常温半球积分发射率ε_sh为：

式中，L(λ)为理想黑体光谱辐射亮度，λ₁为测量过程中波长的下限，λ₂为测量过程中波长的上限。

步骤S2中，常温法向发射率包括：常温法向光谱发射率、常温法向积分发射率；

步骤S2具体为：

将被测样品放置在加热型积分球内表面，加热型积分球热辐射漫入射至被测样品表面，同时启动被测样品的非测量面的主动制冷结构，启动加热积分球傅里叶光谱仪，收集被测样品法向发射光束的能量，获取测量光谱能量E_λsn；将标准反射率试样放置在加热型积分球内表面，加热型积分球热辐射漫入射至被测样品表面，同时启动被测样品的非测量面的主动制冷结构，启动加热积分球傅里叶光谱仪，收集被测样品法向发射光束的能量，获取测量光谱能量E_λbn；

则被测样品的常温法向光谱发射率ε_λsn为：

式中，ρ_λbn为标准反射率试样法向光谱反射率；

被测样品的常温法向积分发射率ε_sn为：

式中，L(λ)为理想黑体光谱辐射亮度，λ₁为测量过程中波长的下限，λ₂为测量过程中波长的上限。

步骤S3中，高温法向发射率包括：高温法向光谱发射率、高温法向积分发射率；

步骤S3具体为：

将被测样品放入材料加热设备中，启动加热设备，对被测样品进行加热，观测被测样品上的样品温度传感器，直至被测样品温度稳定在被测温度；

成像探测器前放置滤光片测量被测试样，测得辐射能量E_λsnh；成像探测器前放置滤光片测量相同温度的标准黑体，测得辐射能量E_λbnh；

则被测样品的高温法向光谱发射率ε_λsnh为：

被测样品的高温法向积分发射率ε_sn为：

式中，L(λ)为理想黑体光谱辐射亮度，λ₁为测量过程中波长的下限，λ₂为测量过程中波长的上限。

步骤S4中，高温半球发射率包括：高温半球光谱发射率、高温半球积分发射率；

步骤S4具体为：

被测样品的高温半球光谱发射率ε_λshh为：

被测样品的高温半球积分发射率ε_shh为：

用于该低导热率非导体材料高温半球发射率测量方法的一种低导热率非导体材料高温半球发射率测量系统，该低导热率非导体材料高温半球发射率测量系统包括：常温半球发射率测量装置、常温法向发射率测量装置、高温法向发射率测量装置。

常温半球发射率测量装置包括：积分球傅里叶光谱仪、积分球光学系统；

积分球傅里叶光谱仪包括：迈克尔逊干涉仪、探测器；

宽波段平行光源经过积分球光学系统的积分球的入射窗口，照射到被测样品表面；

被测样品的半球向发射光经积分球光学系统中的积分球匀化后，一部分经出射窗口射出，由积分球傅里叶光谱仪中的探测器接收。

常温法向发射率测量装置包括：加热积分球傅里叶光谱仪、加热型积分球光学系统；

加热积分球傅里叶光谱仪包括：迈克尔逊干涉仪、探测器；

加热型积分球光学系统启动加热后形成热辐射，经被测样品反射后，由加热积分球傅里叶光谱仪中的探测器接收；

被测样品的非测量的反射面设有主动制冷装置，用来使被测样品保持常温。

高温法向发射率测量装置包括：光谱成像探测设备、材料加热设备、标准高温黑体；

光谱成像探测设备分别测量高温被测样品及标准高温黑体的光谱辐射量值；

材料加热设备用于将被测样品加热至测量温度，被测样品中放置样品温度传感器，用来测量被测样品温度；

标准高温黑体用于提供标准高温辐射量值。

材料加热设备包括：加热腔、加热腔温度传感器、样品温度传感器、加热丝、加热控制装置；

加热腔位于材料加热设备的内部；加热丝设置在加热腔的腔壁中，且与加热控制装置连接；

加热腔温度传感器安装在加热腔的腔壁中，用来测量加热腔温度，且与加热控制装置连接；

被测样品放置在加热腔内；测量时，辐射屏蔽套安装在被测样品上方，用于屏蔽加热腔热辐射；

光谱成像探测设备的成像探测器前放置滤光片。

本发明有益效果如下：

1、本发明采用间接测量的方式，通过测量样品的常温半球发射率、常温法向发射率及高温法向发射率，得出高温半球发射率，实现了低导热率非导体材料高温半球发射率测量途径，整个测量过程原理清晰、操作简单；

2、本发明在高温法向发射率测量中，通过腔式材料加热设备设计，达到了被测样品高温均匀加热的效果，使得测量结果更加准确，能够真实地反应低导热率非导体材料的高温半球发射率。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为一种低导热率非导体材料高温半球发射率测量方法的原理图；

图2为一种低导热率非导体材料高温半球发射率测量系统的常温半球发射率测量装置的示意图；

图3为一种低导热率非导体材料高温半球发射率测量系统的常温法向发射率测量装置的示意图；

图4为一种低导热率非导体材料高温半球发射率测量系统的高温法向发射率测量装置的示意图。

图中：1-宽波段平行光源、2-积分球、3-被测样品、4-积分球傅里叶光谱仪、5-加热型积分球、6-主动制冷装置、7-加热积分球傅里叶光谱仪、8-成像探测器、9-滤光片、10-辐射屏蔽套、11-样品温度传感器、12-加热丝、13-加热腔、14-加热腔温度传感器、15-加热控制装置。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

如图1所示，一种低导热率非导体材料高温半球发射率测量方法，包括如下步骤：

S1、测量被测样品3的常温半球发射率：

其中，常温法向发射率包括：常温法向光谱发射率、常温法向积分发射率；

具体步骤为：

将被测样品3放置在积分球2的内表面，打开宽波段平行光源1，并保证宽波段平行光源1照射被测样品3的方向与被测样品3的法向夹角为8°，启动积分球傅里叶光谱仪4，收集被测样品3漫反射光束经积分球2匀化后的能量，获取测量光谱能量E_λsh；将标准反射率试样放置在积分球2的内表面，打开宽波段平行光源1，启动积分球傅里叶光谱仪4，获取测量光谱能量E_λbh；

则被测样品3的常温半球光谱发射率ε_λsh为：

式中，ρ_λbh为标准反射率试样半球光谱反射率；

被测样品3的常温半球积分发射率ε_sh为：

式中，L(λ)为理想黑体光谱辐射亮度，λ₁为测量过程中的波长的下限，λ₂为测量过程中的波长的上限。

S2、测量被测样品3的常温法向发射率：

其中，常温法向发射率包括：常温法向光谱发射率、常温法向积分发射率；

具体步骤为：

将被测样品3放置在加热型积分球5内表面，加热型积分球5热辐射漫入射至被测样品3表面，同时启动被测样品3的非测量面的主动制冷结构，启动加热积分球傅里叶光谱仪7，收集被测样品3法向发射光束的能量，获取测量光谱能量E_λsn；将标准反射率试样放置在加热型积分球5内表面，加热型积分球5热辐射漫入射至被测样品3表面，同时启动被测样品3的非测量面的主动制冷结构，启动加热积分球傅里叶光谱仪7，收集被测样品3法向发射光束的能量，获取测量光谱能量E_λbn；

则被测样品3的常温法向光谱发射率ε_λsn为：

式中，ρ_λbn为标准反射率试样法向光谱反射率；

被测样品3的常温法向积分发射率ε_sn为：

式中，L(λ)为理想黑体光谱辐射亮度，λ₁为测量过程中的波长的下限，λ₂为测量过程中的波长的上限。

S3、测量被测样品3的高温法向发射率：

其中，高温法向发射率包括：高温法向光谱发射率、高温法向积分发射率；

具体步骤为：

将被测样品3放入材料加热设备中，启动加热设备，对被测样品3进行加热，观测被测样品3上的样品温度传感器11，直至被测样品3温度稳定在被测温度；

成像探测器8前放置滤光片9测量被测试样，测得辐射能量E_λsnh；成像探测器8前放置滤光片9测量相同温度的标准黑体，测得辐射能量E_λbnh；

则被测样品3的高温法向光谱发射率ε_λsnh为：

被测样品3的高温法向积分发射率ε_sn为：

式中，L(λ)为理想黑体光谱辐射亮度，λ₁为测量过程中波长的下限，λ₂为测量过程中波长的上限。

S4、通过被测样品3的常温半球发射率、常温法向发射率、高温法向发射率，得到被测样品3的高温半球发射率：

其中，高温半球发射率包括：高温半球光谱发射率、高温半球积分发射率；

材料半球发射率与法向发射率的比值主要与材料表面形貌有关，与温度无关，在常温条件下，采用反射率法测量材料的半球发射率与法向发射率，得出半球发射率与法向发射率的比值，在高温条件下，采用黑体对比法测量材料高温法向发射率，利用前期测量的比值，得出材料高温半球发射率，具体步骤为：

被测样品3的高温半球光谱发射率ε_λshh为：

被测样品3的高温半球积分发射率ε_shh为：

一种用于该低导热率非导体材料高温半球发射率测量方法的低导热率非导体材料高温半球发射率测量系统，该低导热率非导体材料高温半球发射率测量系统包括：常温半球发射率测量装置、常温法向发射率测量装置、高温法向发射率测量装置。

如图2所示，常温半球发射率测量装置包括：积分球傅里叶光谱仪4、积分球光学系统；

积分球傅里叶光谱仪4包括：迈克尔逊干涉仪、探测器；

宽波段平行光源1经过积分球光学系统的积分球的入射窗口，照射到被测样品3表面；

被测样品3的半球向发射光经积分球光学系统中的积分球2匀化后，一部分经出射窗口射出，由积分球傅里叶光谱仪4中的探测器接收。

如图3所示，常温法向发射率测量装置包括：加热积分球傅里叶光谱仪7、加热型积分球光学系统；

加热积分球傅里叶光谱仪7包括：迈克尔逊干涉仪、探测器；

加热型积分球光学系统启动加热后形成热辐射并代替宽波段平行光源，经被测样品3反射后，由加热积分球傅里叶光谱仪7中的探测器接收；

被测样品3的非测量的反射面设有主动制冷装置6，用来使被测样品3保持常温。

高温法向发射率测量装置包括：光谱成像探测设备、材料加热设备、标准高温黑体；

光谱成像探测设备分别测量高温被测样品3及标准高温黑体的光谱辐射量值；

材料加热设备用于将被测样品3加热至测量温度，被测样品3中放置样品温度传感器11，用来测量被测样品3温度；

标准高温黑体用于提供标准高温辐射量值。

如图4所示，材料加热设备包括：加热腔13、加热腔温度传感器14、样品温度传感器11、加热丝12、加热控制装置15；

加热腔13位于材料加热设备的内部；加热丝12设置在加热腔13的腔壁中，且与加热控制装置15连接；

加热腔温度传感器14安装在加热腔13的腔壁中，用来测量加热腔13温度，且与加热控制装置15连接，测量加热腔13的温度；

被测样品3放置在加热腔13内，并通过样品固定架固定，且保证被测样品3不与加热腔13外壳的内壁接触。加热腔13内外设有多组辐射屏蔽套固定架，用于固定辐射屏蔽套10。在加热时，辐射屏蔽套10固定在加热腔13外的辐射屏蔽套固定架上；在加热完成后测量时，辐射屏蔽套10固定在加热腔13内的辐射屏蔽套固定架，并位于被测样品3上方的四周，用来在测量时屏蔽加热腔13余温的热辐射。

光谱成像探测设备的成像探测器8前放置滤光片9。

综上所述，本发明实施例提供了一种低导热率非导体材料高温半球发射率测量方法与系统，本发明通过间接测量的方式，通过测量样品的常温半球发射率、常温法向发射率及高温法向发射率，得出高温半球发射率，实现了低导热率非导体材料高温半球发射率测量途径。在高温法向发射率测量中，通过腔式材料加热设备设计，达到了被测样品温均匀加热的效果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。