超高温FT-IR光谱发射率测量系统校准方法

引言

随着材料科学及应用技术的发展,人们需要认知新型材料光谱辐射特性,比如气动加热过程中飞行器鼻锥和机翼前缘的热防护[1],太阳能利用集热管光谱选择性涂层集热效率[2],军事战争中导弹制导与飞机红外隐身[3]等问题需要获取材料或涂层的高温光谱发射数据.由于高温环境材料的宽光谱发射率测试尚有一些问题亟待解决,国内外尚无超过1500℃的宽谱发射率测量设备的文献[4~6].在超高温情况(1500~2400℃)复杂结构的温度测试是一大难题,采用接触式测量方法直接测量试样温度有明显弊端,如接触不牢靠、高温振荡和损耗老化等问题.而试样温度的测量误差会给发射率测量结果带来较大误差,从而失去发射率测试精度.使用光学高温计能够很好地解决黑体温度的测量,但只能准确测量试样的辐射亮温或色温,获取试样前表面的真实温度十分困难.另一个影响高温发射率测量精度的重要因素是,由于固体材料表面的辐射功率与温度的四次方呈正比,并且随着温度增高,特别在超高温条件下,试样表面的辐射热损较大,这些在发射率测量技术中尚未引起足够的重视.而对于低导热材料在轴向方向产生温度梯度,也会对发射率测量结果贡献较大误差.综合考虑以上情况,课题组建立了一套宽温(100~2400℃)宽谱(2~25μm)发射率测量装置,集成真空、水冷、集总控制等功能.并考虑到以上提及的几个重要的影响因素,建立了完整的系统误差校准模型,并定量讨论了各因素对测量结果的误差贡献.

1　测量原理及系统结构

影响材料发射率的因素很多,比如物质组份、表面结构、表面粗糙度、表面化学变化等.辐射能量比较法利用黑体作为辐射能量的参比基准,具有基准精度高、易维护等优点;红外傅里叶光谱仪辐射通量大,信噪比高,响应度高,响应速度快,且可测量较宽光谱辐射亮度.结合以上优点,建立的超高温真空环境红外光谱发射率测量系统原理如图1所示.

实物测量系统如图2所示,主体结构包括黑体炉A、试样室A(1000~2400℃)、黑体炉B、试样室B(100~1000℃)、T型恒温光路结构、傅里叶光谱仪(1. 28~28μm)、电气控制系统、水冷环节、真空环节、充气环节和测温部分等.

由于光谱仪响应的非线性误差在0. 5%以内[7],假定光谱仪对入射辐射能量为线性响应.光谱仪测得辐射能量根据公式(1)给出

S(λ)光谱仪输出值,R (λ)系统光谱响应函数,L(λ)目标辐射亮度,L0(λ)背景辐射亮度.通过多点黑体定标法标定出R (λ)与L0(λ)[8],根据发射率定义列出式(2):