本發(fā)明涉及材料的熱物性參數(shù)測(cè)量，特別是一種紅外透明材料法向光譜發(fā)射率測(cè)試裝置。

背景技術(shù)：

發(fā)射率是表征各種材料表面輻射特性的一個(gè)物理量，它定義為同等溫度下材料表面的輻射能力與黑體的輻射能力的比值。發(fā)射率測(cè)試在工程和科研領(lǐng)域里有著很廣闊的應(yīng)用背景，比如在航天航空工業(yè)領(lǐng)域、國(guó)防科學(xué)研究中等均具有重要價(jià)值。

目前測(cè)量低發(fā)射率紅外透明材料較準(zhǔn)確的測(cè)量方案，是由美國(guó)的Raymond M.等提出的[High temperature optical of oxide dome materials]，他們搭建的測(cè)試裝置選擇CO₂激光對(duì)測(cè)試樣品的表面進(jìn)行加熱，在測(cè)試樣品的另一側(cè)表面測(cè)試收集樣品的輻射，并轉(zhuǎn)送入紅外光譜儀進(jìn)行分光。著重研究3-5μm工作波段的輻射情況，并將其與相同溫度下的黑體輻射進(jìn)行對(duì)比得到發(fā)射率。該方法的加熱源具有特定的波長(zhǎng)，能夠與測(cè)量過(guò)程中的樣品輻射真實(shí)信號(hào)很好的區(qū)分出來(lái)。因此，該方法是目前測(cè)量低發(fā)射率紅外透明材料較準(zhǔn)確的測(cè)量方案和設(shè)備。

但是該裝置存在不足，首先要求被測(cè)試的光學(xué)材料對(duì)10.6μm的CO₂激光能夠有效吸收，從而使樣品溫度升高，而對(duì)于在該波長(zhǎng)高透的材料則無(wú)法進(jìn)行有效測(cè)量；第二，激光直接加熱樣品，很容易使樣品受熱不均造成開(kāi)裂；第三，樣品溫度的確定是采用計(jì)算得到，會(huì)產(chǎn)生較大誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決上述現(xiàn)有材料發(fā)射率測(cè)試技術(shù)中存在的可測(cè)試材料單一、高溫下樣品易開(kāi)裂、測(cè)量結(jié)果精度差等問(wèn)題，提出一種紅外透明材料法向光譜發(fā)射率測(cè)試裝置，該裝置具有可測(cè)量多波長(zhǎng)紅外透明材料、高溫下樣品不易損壞、測(cè)量結(jié)果精度高的特點(diǎn)。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種紅外透明材料法向光譜發(fā)射率測(cè)試裝置，包括樣品加熱控溫子系統(tǒng)、真空密封子系統(tǒng)、傅里葉紅外光譜儀、計(jì)算機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)黑體；所述的樣品加熱控溫子系統(tǒng)包括包括加熱用CO₂激光器、加熱光路、與CO₂激光器平行放置的校準(zhǔn)用He-Ne激光器和第三可移動(dòng)反射鏡；所述的高溫低輻射樣品室包括黃銅壁、安裝在高溫低輻射樣品室四周的冷卻銅管以及內(nèi)部上方的光學(xué)擋板、固定在金屬密封腔底上用于支撐樣品的鋁桿架及鉑絲和安裝在鋁桿架上的鉑銠熱電偶；所述的真空密封子系統(tǒng)包括金屬密封腔，該金屬密封腔的左側(cè)面設(shè)第一密封窗片，后側(cè)面設(shè)第二密封窗片，該金屬密封腔右側(cè)面連接一真空泵，該金屬密封腔左側(cè)的第一密封窗片與傅里葉紅外光譜儀相連，所述的標(biāo)準(zhǔn)黑體與第二密封窗片相連，在所述的金屬密封腔內(nèi)和所述的標(biāo)準(zhǔn)黑體的輸出輻射方向設(shè)有第二可移動(dòng)反射鏡；在所述的金屬密封腔內(nèi)和所述的待測(cè)樣品的上方設(shè)有第三反射鏡，所述的傅里葉紅外光譜儀的輸出端與所述的計(jì)算機(jī)的輸入端相連；所述的加熱光路包括，從CO₂激光器出發(fā)，依次是第一反射鏡、第三可移動(dòng)反射鏡、小孔光闌、第二反射鏡，其特點(diǎn)在于：

還設(shè)有加熱用1064nm紫外激光器、PID控溫系統(tǒng)，在所述的加熱光路中設(shè)有激光光束的空域整形部分，該激光光束的空域整形部分的構(gòu)成是沿加熱光路的方向依次的聚焦透鏡、衍射板和固定在所述的金屬密封腔底部螺口的擴(kuò)束透鏡，在所述的紫外激光器輸出光光路上設(shè)置3倍頻器和第一可移動(dòng)反射鏡，所述的紫外激光器發(fā)出的1064nm激光通過(guò)所述的3倍頻器獲得355nm激光，通過(guò)所述的第一可移動(dòng)反射鏡可將所述的355nm激光反射進(jìn)入所述的加熱光路，所述的PID控溫系統(tǒng)的控制端分別與所述的加熱用CO₂激光器和紫外激光器的控制端相連，另一端與所述的鉑銠熱電偶的輸出端相連；在所述的標(biāo)準(zhǔn)黑體和待測(cè)紅外透明材料樣品發(fā)出輻射的前段路徑上分別配有第二平行光管、第一平行光管。

所述的擴(kuò)束透鏡，對(duì)于CO₂激光采用ZnS材質(zhì)的擴(kuò)束透鏡，對(duì)于紫外激光則采用CaF₂材質(zhì)的擴(kuò)束透鏡。

所述的金屬密封腔為通循環(huán)冷卻水的雙層腔體。

所述的金屬密封腔下底的螺口是供換裝所述的擴(kuò)束透鏡的螺口。

所述的金屬密封腔采用黑化金屬作為內(nèi)襯。

所述的CO₂激光器和紫外激光器用于加熱不同樣品，分別為波長(zhǎng)為10.6μm的CO₂激光器和1064nm的紫外激光器，對(duì)于可吸收10.6μm波長(zhǎng)激光的中波、短波紅外透明材料，采用CO₂激光器進(jìn)行加熱，而對(duì)于不吸收10.6μm波長(zhǎng)激光的長(zhǎng)波紅外透明材料則采用1064nm紫外激光器進(jìn)行加熱；

所述的He-Ne激光器在測(cè)試前用來(lái)校準(zhǔn)激光光路；

所述的激光光束空域整形部分是用于得到具有均勻加熱能力的激光束結(jié)構(gòu)，使樣品受熱均勻不易開(kāi)裂；因?yàn)槲唇?jīng)處理的激光光束波形是高斯波形，聚焦后的光斑具有一個(gè)聚焦深度和束腰半徑，其聚焦深度一般大于束腰半徑，是一個(gè)長(zhǎng)橢圓狀。利用這種結(jié)構(gòu)的聚焦光斑對(duì)樣品進(jìn)行加熱會(huì)造成樣品的受熱不均勻，甚至樣品開(kāi)裂。該部分依次為一個(gè)聚焦透鏡、衍射板、一個(gè)固定在金屬密封腔底部螺孔上的擴(kuò)束透鏡。所述衍射板可以調(diào)控光束的最終形狀；所述擴(kuò)束透鏡用于調(diào)整加熱激光光斑的大小。為防止擴(kuò)束透鏡對(duì)加熱激光源的吸收，上述擴(kuò)束透鏡對(duì)于10.6μm波長(zhǎng)激光采用ZnS材質(zhì)，對(duì)于1064nm紫外激光則采用CaF₂材質(zhì)。

所述的高溫低輻射樣品室用于盛放待測(cè)樣品，包括黃銅壁、安裝在其四周的冷卻銅管以及內(nèi)部上方的光學(xué)擋板、固定在金屬密封腔上用于支撐樣品的鋁桿架和安裝在鋁桿架上的鉑銠熱電偶。所述鋁桿架及鉑銠熱電偶以三角分布形式來(lái)固定測(cè)試樣品，以避免樣品固定裝置對(duì)加熱激光的吸收；所述的鉑銠熱電偶的截面直徑設(shè)計(jì)為0.01mm，以減小測(cè)試對(duì)輻射數(shù)據(jù)的影響；所述的黃銅壁用來(lái)作為樣品室壁，同時(shí)配有上述冷卻銅管，測(cè)試時(shí)通過(guò)冷卻水保證樣品室在加熱樣品時(shí)保持較低的溫度，消除樣品室壁的熱輻射影響；所述光學(xué)擋板可以進(jìn)一步消除樣品室內(nèi)部的部件的熱輻射對(duì)測(cè)試樣品輻射的影響，保證樣品發(fā)射率數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

所述的金屬密封腔為可導(dǎo)入循壞冷卻水的雙層腔體，通過(guò)外接冷卻水來(lái)控制內(nèi)部的溫度；采用黑化金屬作為內(nèi)襯來(lái)吸收內(nèi)部部件及樣品背部加熱面散射出來(lái)的熱輻射，進(jìn)一步保證樣品發(fā)射率測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

所述的真空泵安裝在金屬殼層外，用來(lái)獲得低于1×10^-4MPa的真空環(huán)境，有效消除空氣對(duì)樣品發(fā)射率測(cè)試帶來(lái)的影響。

所述的第一密封窗片、第二密封窗片能夠進(jìn)行密封處理、能夠承受真空壓力、并能高效透過(guò)光束，以滿足熱激光和紅外輻射信號(hào)需要穿過(guò)加熱室的真空密封系統(tǒng)的要求。

所述的標(biāo)準(zhǔn)黑體和樣品發(fā)出輻射的前段路徑上配有平行光管以對(duì)樣品和標(biāo)準(zhǔn)黑體發(fā)出的輻射進(jìn)行準(zhǔn)直。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

利用同一裝置，只要通過(guò)移動(dòng)反射鏡即可選擇不同的激光器加入到加熱光路中測(cè)量不同波段紅外透明材料，即“一機(jī)多測(cè)”，因而具有利用率高且操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。

利用激光光束的空域整形技術(shù)可將由CO₂激光器或紫外激光器發(fā)出的未經(jīng)處理的高斯波形激光束整形成平頂形狀，同時(shí)對(duì)激光進(jìn)行擴(kuò)束以完整覆蓋樣品的表面進(jìn)行加熱，得到所期望的具有均勻加熱能力的激光束結(jié)構(gòu)，因而可使樣品受熱均勻、不開(kāi)裂。

采用PID控溫系統(tǒng)利用鉑銠熱電偶來(lái)對(duì)樣品的測(cè)試溫度進(jìn)行精確控制，消除了手動(dòng)測(cè)溫和計(jì)算得到溫度的誤差，保證了樣品溫度的準(zhǔn)確測(cè)量，因此具有發(fā)射率測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確的特點(diǎn)。

本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)中波、短波以及長(zhǎng)波紅外透明材料發(fā)射率的精確測(cè)量，最大限度滿足研究對(duì)不同類型材料發(fā)射率的測(cè)試需求。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明紅外透明材料法向光譜發(fā)射率測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明高溫低輻射樣品室和激光光束的空域整形部分的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1：CO₂激光器；2：紫外激光器；3：PID控溫系統(tǒng)；4：標(biāo)準(zhǔn)黑體；5：傅里葉紅外光譜儀；6：計(jì)算機(jī)；7：真空泵；8：第一反射鏡；9：金屬密封腔；10：黃銅壁；11：冷卻銅管；12：第一平行光管；13：鋁桿架；14：鉑銠熱電偶；15：擴(kuò)束透鏡；16：聚焦透鏡；17：光學(xué)擋板；18：倍頻器；19：衍射板；20：第一密封窗片；21：He-Ne激光器；22：待測(cè)樣品；23：第一可移動(dòng)反射鏡；24：第二可移動(dòng)反射鏡；25：第三可移動(dòng)反射鏡；26：小孔光闌；27：第二平行光管；28：鉑絲；29：第二密封窗片；30：第二反射鏡；31：第三反射鏡。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)例，對(duì)具體的實(shí)施方式進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)描述。

實(shí)施例1：

如圖1和2所示，由圖可見(jiàn)本發(fā)明紅外透明材料法向光譜發(fā)射率測(cè)試裝置，包括樣品加熱控溫子系統(tǒng)、真空密封子系統(tǒng)、傅里葉紅外光譜儀5、計(jì)算機(jī)6和標(biāo)準(zhǔn)黑體4；所述的樣品加熱控溫子系統(tǒng)包括加熱用CO₂激光器1、加熱光路、與CO₂激光器1平行放置的校準(zhǔn)用He-Ne激光器21和第三可移動(dòng)反射鏡25；所述的高溫低輻射樣品室包括黃銅壁10、安裝在高溫低輻射樣品室四周的冷卻銅管11以及內(nèi)部上方的光學(xué)擋板17、固定在金屬密封腔9上用于支撐樣品的鋁桿架13及鉑絲28和安裝在鋁桿架上的鉑銠熱電偶14；所述的真空密封子系統(tǒng)包括金屬密封腔9，該金屬密封腔9的左側(cè)面設(shè)第一密封窗片20，后側(cè)面設(shè)第二密封窗片29，該金屬密封腔9右側(cè)面連接一真空泵7，該金屬密封腔9左側(cè)的第一密封窗片20與傅里葉紅外光譜儀5相連，所述的標(biāo)準(zhǔn)黑體4與第二密封窗片29相連，在所述的金屬密封腔9內(nèi)和所述的標(biāo)準(zhǔn)黑體4的輸出輻射方向設(shè)有第二可移動(dòng)反射鏡24；在所述的金屬密封腔9內(nèi)和所述的待測(cè)樣品22的上方設(shè)有第三反射鏡31，所述的傅里葉紅外光譜儀5的輸出端與所述的計(jì)算機(jī)6的輸入端相連；所述的加熱光路包括，從CO₂激光器1出發(fā)，依次是第一反射鏡8、第三可移動(dòng)反射鏡25、小孔光闌26、第二反射鏡30，其特點(diǎn)在于：

還設(shè)有加熱用1064nm紫外激光器2、PID控溫系統(tǒng)3，在所述的加熱光路中設(shè)有激光光束的空域整形部分，該激光光束的空域整形部分的構(gòu)成是沿加熱光路的方向依次的聚焦透鏡16、衍射板19和固定在所述的金屬密封腔9底部螺口的擴(kuò)束透鏡15，在所述的紫外激光器2輸出光光路上設(shè)置3倍頻器18和第一可移動(dòng)反射鏡23，所述的紫外激光器2發(fā)出的1064nm激光通過(guò)所述的3倍頻器獲得355nm激光，通過(guò)所述的第一可移動(dòng)反射鏡23可將所述的355nm激光反射進(jìn)入所述的加熱光路，所述的PID控溫系統(tǒng)3的控制端分別與所述的加熱用CO₂激光器1和紫外激光器2的控制端相連，另一端與所述的鉑銠熱電偶14的輸出端相連；在所述的標(biāo)準(zhǔn)黑體4和待測(cè)樣品22發(fā)出輻射的前段路徑上分別配有第二平行光管27、第一平行光管12。

所述的待測(cè)樣品為短波、中波透紅外材料，所述的激光光束空域整形部分的擴(kuò)束透鏡15選擇ZnS材質(zhì)的擴(kuò)束透鏡，固定在金屬密封腔9下面的螺孔上；利用本發(fā)明裝置對(duì)紅外透明材料法向光譜發(fā)射率測(cè)試方法，包括下列步驟：

步驟一：激光光路的校準(zhǔn)：將第三可移動(dòng)反射鏡25移動(dòng)到所述的加熱光路中，打開(kāi)He-Ne激光器21，檢查光路是否準(zhǔn)直，檢查調(diào)整光路準(zhǔn)直后，將第三可移動(dòng)反射鏡25移開(kāi)所述的加熱光路；

步驟二：打開(kāi)計(jì)算機(jī)6，打開(kāi)真空泵7對(duì)樣品室進(jìn)行抽真空，測(cè)試室溫背景光譜；

步驟三：將待測(cè)樣品22制成直徑25.4mm，厚度為3mm的圓形，所述的待測(cè)樣品為短波、中波透紅外材料，將待測(cè)樣品22置于所述的鋁桿架13上；將金屬密封腔9和冷卻銅管11分別接入冷卻水，打開(kāi)真空泵7對(duì)樣品室進(jìn)行抽真空；

步驟四：打開(kāi)CO₂激光器1對(duì)樣品22進(jìn)行加熱，測(cè)試時(shí)，PID控溫系統(tǒng)3通過(guò)安裝在鋁桿架13上的鉑銠熱電偶14實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樣品溫度，當(dāng)樣品溫度達(dá)到所設(shè)定溫度T時(shí)，PID控溫系統(tǒng)3通過(guò)調(diào)控CO₂激光器22的功率使樣品達(dá)到熱平衡，保證樣品測(cè)試時(shí)溫度的穩(wěn)定性，溫度穩(wěn)定后所述的傅里葉紅外光譜儀測(cè)試樣品輻射并射入所述的計(jì)算機(jī)6；

步驟五：移動(dòng)第二反射鏡24，使所述的標(biāo)準(zhǔn)黑體4的輻射經(jīng)第二反射鏡24反射、經(jīng)第一密封窗片(20)進(jìn)入所述的傅里葉紅外光譜儀5，所述的傅里葉紅外光譜儀5測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射并射入所述的計(jì)算機(jī)6；

步驟六：所述的計(jì)算機(jī)將測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射除以理論黑體輻射數(shù)據(jù)計(jì)算儀器響應(yīng)函數(shù)；所述的理論黑體輻射數(shù)據(jù)由公式計(jì)算，

式中，h—普朗克常量；C₀—光速；λ—入射波長(zhǎng)；T—溫度；k—玻爾茲曼常數(shù)；

步驟七：通過(guò)樣品輻射除以儀器響應(yīng)函數(shù)得到樣品校準(zhǔn)后的真實(shí)輻射；

步驟八：所述的真實(shí)輻射除以理論黑體輻射計(jì)算得到樣品在相應(yīng)波長(zhǎng)的發(fā)射率。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例2與實(shí)施例1的區(qū)別在于：

所述的待測(cè)樣品22為長(zhǎng)波透紅外材料。

將所述的激光光束空域整形部分的擴(kuò)束透鏡15換為CaF₂材質(zhì)的擴(kuò)束透鏡，固定在金屬密封腔9下面的螺孔上。

上述測(cè)量步驟四改為：移動(dòng)第一可移動(dòng)反射鏡23到所述的加熱光路，使1064nm紫外激光器2發(fā)出的激光經(jīng)所述的所述的紫外激光器2發(fā)出的1064nm激光通過(guò)所述的3倍頻器獲得355nm激光，通過(guò)所述的第一可移動(dòng)反射鏡23將所述的355nm激光反射進(jìn)入所述的加熱光路，加熱待測(cè)樣品，再進(jìn)行測(cè)量；

本發(fā)明首先利用了兩個(gè)不同波長(zhǎng)的CO₂激光器1和紫外激光器2，只要通過(guò)移動(dòng)第一可移動(dòng)反射鏡23即可選擇不同的激光器到加熱光路中測(cè)量不同波段紅外透明材料，實(shí)現(xiàn)了“一機(jī)多測(cè)”；然后利用激光光束的空域整形技術(shù)將未經(jīng)處理的高斯波形激光束整形成平頂形狀，同時(shí)對(duì)激光進(jìn)行擴(kuò)束以完整覆蓋樣品的表面進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)了對(duì)樣品的均勻加熱，保護(hù)樣品不開(kāi)裂；其次采用PID控溫系統(tǒng)3利用鉑銠熱電偶14來(lái)對(duì)樣品的測(cè)試溫度進(jìn)行精確控制，消除了手動(dòng)測(cè)溫和計(jì)算得到溫度的誤差，保證了樣品溫度的準(zhǔn)確測(cè)量。

應(yīng)該指出，本發(fā)明不僅限于上述實(shí)施例，還有其他許多實(shí)施方式。本領(lǐng)域的技術(shù)人員能從本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容中直接導(dǎo)出或者顯而易見(jiàn)的變形，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。