基于激光旋转加热的非导电材料高温光谱发射率测试方法与装置

光谱发射率是表征材料热物理性能的重要参数。对于非导电材料的高温光谱发射率测试,一般采用高温加热炉加热或辐射加热的方式来进行发射率测试,存在的问题是采用高温石墨炉加热时,样品可能会与高温石墨发生化学反应,从而破坏材料原有物性;采用辐射加热,一般是单向静止加热,会存在样品温场梯度非均匀分布的问题。基于激光旋转加热和样品/黑体整体一体化设计,提出了一种“样品动中测”的非导电材料高温光谱发射率测试新方法,建立了相应的测量模型,突破了传统的 “样品静中测”的局限,样品与参考黑体共形一体化设计,采用微区域光谱辐射成像方法,同时测量参考黑体和样品的光谱辐射能量与温度。建立了激光旋转加热状态下的热传导方程,对典型样品材料的温度分布进行了仿真计算,结果表明旋转样品温场分布较为均匀,分析了温场分布与红外光谱发射率测量误差间的关系,给出了适用于本测试方法的材料的热导率下限值。基于该方法,搭建了相应的测量装置,对典型材料碳化硅在1 000 K时的光谱发射率进行了测试,在4 μm处对各个典型高温温度点的光谱发射率进行了测试,得到了碳化硅材料在红外波段的光谱发射率波长变化和温度变化规律特性。与国外的测量结果进行了比对,结果较为一致,验证了激光旋转加热光谱发射率测试方法的可行性。采用此方法,不破坏样品本身的理化特性,样品加热升温速度快,测量温度范围上限高,有效减小了激光静止单向加热带来的温度不均匀性,可同时测量出样品和参考黑体的光谱辐射亮度及温度,无需另外再设计标准高温黑体,解决了现有非导电材料高温光谱发射率测试中非均匀加热和辐射能量同步比对测量的问题,可应用于多种非导电材料高温光谱发射率的测试。     

光谱发射率测试方法的不确定度分析

光谱发射率是材料重要的热物性参数之一,具有重要而广泛的应用需求。基于调制辐射源加热的光谱发射率测试方法能够实现材料高温光谱发射率和温度的同时测量,克服了传统测试对高温样品温度准确测量的依赖性。为研究和提高基于调制辐射源的光谱发射率测试方法的适用性,论文开展了测量反问题的数值模拟验证分析,研究分析了样品表面光谱发射率范围、温度范围和测量噪音等条件对光谱发射率测量不确定度的影响,并对光谱发射率反问题求解的数值不确定度与理论不确定度进行了定量评估。     

多光谱真温快速反演方法

材料的未知发射率是辐射测温的一大障碍,它导致了无法依靠单组测量数据获得材料的真实温度,人们只能通过假定材料发射率模型来计算出材料的亮度温度等非真实温度。基于这样的背景,Gardner J等科学家们提出了多光谱测温法并不断完善其理论,如今多光谱测温广泛应用于高温和超高温测量、高温目标的热性能测量、真实温度动态测量等。2005年,孙晓刚提出了二次测量法,二次测量法属于多光谱真温反演算法的一种,其通过两组测量数据之间的迭代运算解决了反演真温与反演各波长下材料发射率的难题,并且通过构建大量发射率模型来确保各波长下反演出的发射率的精度,但是其在数学运算和软件运行中需要构建数量庞大的发射率模型库、通过匹配库中所有发射率模型来得到真温最优解,这不仅需要大量计算时间而且占用大量软件资源。提出了新的多光谱真温快速反演方法,理论推导出了的材料辐射能量当量与发射率之间的不等式方程组,在二次测量法算法中添加了对发射率模型库优化筛选步骤,这一措施能够筛选掉发射率模型库中不合理的模型以缩小发射率模型库的规模,从而节省大量计算时间和软件资源。首先进行了0.400~1.100波段的仿真实验,实验中分别对六种发射率模型进行了多光谱真温快速反演方法和二次测量法的反演结果对比,结果表明,对于同一个被测目标在相同的温度初值和相同的发射率搜索范围下,真温快速反演方法不仅保证了反演精度,而且相比于二次测量法减少了29%～64%的发射率模型数和26%~57%的计算时间。进行了0.574～0.914波段的实测对比实验,实验结果表明对于相同条件下,真温快速反演方法在保证精度的前提下,相比于二次测量法减少了42%～48%的发射率模型数和35%~49%的计算时间。实验证明真温快速反演方法可行,对于大规模多光谱真温测量和在线多光谱真温测量有重要价值。     

超高温FTIR光谱发射率测量系统的线性度分析

为研究航天领域特种材料高温区域的光谱辐射特性,建立了基于傅里叶光谱仪的超高温光谱发射率测量系统。系统线性度是发射率测量精度的保证,通过测量多温度点黑体辐射的光谱信号,采用多温度点线性拟合方法求得每个光谱点的光谱信号值与黑体光谱辐射亮度的函数关系式,并结合仪器线性度测量理论,建立了光谱发射率测量系统的线性度测量方法。实验测量了黑体温度范围1 000～2 000℃和光谱范围3～20μm的光谱辐射信号,求得波长λ=4μm的理论直线与测量光谱值的线性关系。实验表明,仪器在4～18μm光谱范围响应较好,除CO2强吸收光谱区域,仪器的光谱线性度均优于1%。当测量系统线性度一定时,温度越高,光谱误差对发射率的影响越小。评定光谱发射率测量系统的线性度有利于剔除个别温度点光谱扰动带来的误差。     

固体火箭发动机羽流辐射光谱测温方法研究

固体火箭发动机羽流具有高温、高速与强辐射特征,羽流温度是发动机工作状态与性能的重要表征参数。准确测量固体火箭发动机羽流温度对了解发动机内部燃烧情况以及发动机综合性能具有重要的参考价值。随着激光与光谱学的发展,激光光谱技术逐步应用于固体推进剂燃烧及发动机羽流温度测量。辐射光谱测温法通过测量火焰辐射光谱来实现温度的非接触在线测量,具有测温范围宽、响应快及可靠性高等优点,可应用于固体火箭发动机羽流温度测量。在此提出了基于火焰辐射光谱的固体火箭发动机羽流温度测量方法,采用350～1 000 nm波段光纤光谱仪搭建了发动机羽流火焰辐射光谱测量系统,利用标准辐射黑体炉开展光谱仪响应系数标定,获得响应系数随波长的变化曲线,并以此用作羽流辐射光谱数据修正。之后将该测量系统应用于标准Φ118固体火箭发动机地面试验,开展典型12%铝质量含量推进剂发动机羽流辐射光谱实验测量,选取不同时刻羽流辐射光谱分析了发动机羽流辐射光谱特征,并利用双色法灰性判断原理对羽流火焰灰体特性进行讨论,验证在675～745 nm波段发动机羽流火焰辐射可近似认为灰体,该波段辐射率随波长变化最大相对偏差为4.01%,相对均方差为1.53%。因此,基于普朗克辐射定律开展辐射光谱拟合参数获得不同时刻羽流温度与辐射率参数,并讨论测量结果与发动机工作状态的关系。最后,开展12%,15%与19%铝质量含量的不同推进剂配方固体火箭发动机羽流辐射光谱测量,将辐射光谱法温度测量值与理论热力计算值进行比较,两者最大偏差值为5.40%,讨论了不同铝含量推进剂发动机羽流辐射光谱特征,并结合温度与辐射率测量结果,分析了固体推进剂铝含量对辐射光谱、羽流温度及辐射率的影响。通过固体火箭发动机羽流辐射光谱测温方法研究,为固体火箭发动机性能评估及推进剂配方优化等研究提供了有效的羽流参数测量手段。分析获得的推进剂铝含量对发动机羽流辐射光谱、温度及辐射率参数的影响,为降低固体发动机羽流特征信号提供了重要的实验数据支撑。     

固体火箭发动机羽流辐射光谱测温方法研究（英文）

固体火箭发动机羽流具有高温、高速与强辐射特征,羽流温度是发动机工作状态与性能的重要表征参数。准确测量固体火箭发动机羽流温度对了解发动机内部燃烧情况以及发动机综合性能具有重要的参考价值。随着激光与光谱学的发展,激光光谱技术逐步应用于固体推进剂燃烧及发动机羽流温度测量。辐射光谱测温法通过测量火焰辐射光谱来实现温度的非接触在线测量,具有测温范围宽、响应快及可靠性高等优点,可应用于固体火箭发动机羽流温度测量。在此提出了基于火焰辐射光谱的固体火箭发动机羽流温度测量方法,采用350～1 000 nm波段光纤光谱仪搭建了发动机羽流火焰辐射光谱测量系统,利用标准辐射黑体炉开展光谱仪响应系数标定,获得响应系数随波长的变化曲线,并以此用作羽流辐射光谱数据修正。之后将该测量系统应用于标准?118固体火箭发动机地面试验,开展典型12%铝质量含量推进剂发动机羽流辐射光谱实验测量,选取不同时刻羽流辐射光谱分析了发动机羽流辐射光谱特征,并利用双色法灰性判断原理对羽流火焰灰体特性进行讨论,验证在675～745 nm波段发动机羽流火焰辐射可近似认为灰体,该波段辐射率随波长变化最大相对偏差为4.01%,相对均方差为1.53%。因此,基于普朗克辐射定律开展辐射光谱拟合参数获得不同时刻羽流温度与辐射率参数,并讨论测量结果与发动机工作状态的关系。最后,开展12%, 15%与19%铝质量含量的不同推进剂配方固体火箭发动机羽流辐射光谱测量,将辐射光谱法温度测量值与理论热力计算值进行比较,两者最大偏差值为5.40%,讨论了不同铝含量推进剂发动机羽流辐射光谱特征,并结合温度与辐射率测量结果,分析了固体推进剂铝含量对辐射光谱、羽流温度及辐射率的影响。通过固体火箭发动机羽流辐射光谱测温方法研究,为固体火箭发动机性能评估及推进剂配方优化等研究提供了有效的羽流参数测量手段。分析获得的推进剂铝含量对发动机羽流辐射光谱、温度及辐射率参数的影响,为降低固体发动机羽流特征信号提供了重要的实验数据支撑。     

地表发射率的机载傅里叶变换红外光谱反演方法研究

介绍了利用机载傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪测量地球、大气辐射的实验过程,并对由光谱仪测得的辐射与地表光谱发射率、大气透过率等参数的关系进行了深入的分析,给出了理论表达式。提出了一种基于梯度搜索的优化方法,即由机载FTIR光谱仪测得的辐亮度光谱反演得到方差最小的光谱发射率最优解。反演结果表明,在中红外波段,沙地平均光谱发射率为0.70,裸土地表平均光谱发射率为0.95。     

一种红外光谱发射率测量装置的研制

研制了一种利用对称双光路比对法测量材料表面光谱发射率的装置,该装置采用多光谱辐射测温技术测量材料表面温度,解决了不规则材料表面温度难以精确测定的问题,实现了材料表面半球发射率和表面温度的同时测定。     

石墨烯/纳米铜复合材料的制备及红外性能研究

采用原位还原法制备了还原石墨烯/纳米铜复合材料,对其进行表征分析.测量该材料的中远红外波段的复折射率,计算其吸收系数和大气窗口内的法向光谱发射率并进行实验验证,进而分析其在中远红外波段的吸收和辐射性能.结果表明,纳米铜吸附在还原石墨烯表面,粒径集中在15~25nm;不同尺寸的纳米铜、还原石墨烯及其表面缺陷和官能团等的吸收特性,使该复合材料在8~9.2μm、6~6.5μm、2~3μm波段内的吸收较强,且在远红外波段吸收最强;其在3~5μm的法向发射率在0.65~0.68范围内,法向发射率在8~9.5μm内有最小值0.53,而后稳定在0.58左右,其总法向发射率分别为0.66和0.59,且与测量值相符.该复合材料可用于红外吸收、消光材料和隐身涂料等方面.     

A3铁、304钢和201钢光谱发射率

随着科学技术日新月异的发展,红外测量技术在遥感、辐射测温、红外隐身、农业、医疗等领域都展现出了重要的应用前景。在花样众多的辐射测量中,材料的发射率是重要的参数之一。为满足材料发射率数据的需求,根据一套自主研制的光谱发射率测量装置对A3铁、304钢以及201钢在不同温度下的光谱发射率进行了精确的测量,并对影响发射率的几个因素做了深入的探究。结果显示：这三种钢材的发射率随温度升高而变大,同等温度下A3铁的发射率要高于304钢和201钢,且材料中的铬含量会降低材料的发射率值。采用XRD分析了三种材料表面氧化后的成分,并探讨了表面成分变化对发射率的影响。结果表明：A3铁氧化后生成不稳定的四氧化三铁Fe₃O₄和氧化亚铁FeO,各种成分的相互转变会导致光谱发射率发生较大的变化,而304钢和201钢表面氧化后主要生成氧化铬,因而光谱发射率也相对比较稳定。另外使用辐射光叠加原理和Christiansen效应成功解释了三种材料的发射率在大约10 μm处出现极大值的现象。该研究极大地丰富了三种材料的光谱发射率数据,为辐射测量技术在三种材料中的应用提供了强有力的数据支撑。     

一种用于UV-A、UV-B波段地基观测的光谱辐射计

研制了一台可以在250 nm~400 nm波段测量绝对光谱辐亮度和绝对光谱辐照度的扫描式光谱辐射计,辐亮度辐照度相对定标准确度2％,可用于UV-A、UV-B紫外波段地基观测.通过在云南丽江地区(26°52＇N,100°13＇E)开展的大气散射光谱辐亮度和地面太阳直射紫外光谱辐照度观测试验,进一步检验了仪器的性能.观测数据与利用MODTRAN模式模拟计算值存在约8％的偏差,分析了产生偏差的相关因素.     

星载太阳紫外光谱监视器的地面辐射定标

星载太阳紫外光谱监视器是一种小型化、高精度紫外-真空紫外光谱辐射计,它有两种工作模式,即探测太阳紫外光谱辐照度的太阳模式和探测大气的太阳后向散射紫外光谱辐亮度的大气模式。对应这两种工作模式分别建立了紫外-真空紫外光谱辐照度和紫外光谱辐亮度定标装置。光谱辐照度标准灯直接辐照仪器的漫反射板进行仪器的光谱辐照度响应度定标,光谱辐照度标准灯辐照标准漫反射板形成朗伯面光源进行仪器的光谱辐亮度响应度定标。误差分析表明:160~250 nm光谱辐照度绝对定标误差为6.5%,250~400 nm为4.3%;250~400 nm光谱辐亮度绝对定标误差为5.9%。星载太阳紫外光谱监视器获得的地外太阳紫外光谱辐照度与大气的太阳后向散射光谱辐亮度数据,同国际上的观测结果相比一致性达±10%。     

目标光源差异对阵列式光谱辐射计测量的影响及紫外杂散辐射修正研究

应对气候变化预测与灾害天气防范等科学难题,空间观测领域提出高精度的光谱辐射度定标需求。阵列式光谱辐射计存在内部结构缺陷和光学元器件不理想等问题,导致杂散辐射,严重影响光谱辐射度测量结果的准确性。测量多种典型阵列式光谱辐射计的杂散辐射特性,考虑外场目标光源与实验室定标光源不一致对杂散辐射修正的影响,分别基于带通滤光片和可调谐激光器研究紫外杂散辐射修正方法。首先,利用不同光谱透过率的带通滤光片,测量可见及红外光谱辐射引起的紫外杂散信号。针对杂散辐射分布特点,建立数学修正模型,实现高效快捷的杂散辐射修正。地基验证场的光谱辐射亮度测量结果修正后,紫外杂散辐射信号显著降低。对于连续分布的宽谱段光源,带通滤光片修正法具有实验简便易行、测试过程高效等优点。然而,实现非连续分布或窄带光源的高精度杂散辐射修正存在困难。为此,建立基于可调谐激光器的杂散辐射测量系统,解决了各个像素点杂散辐射线扩展函数的测量难题。改变可调谐激光器的输出波长,精细化测量各个像素点的杂散辐射线扩展函数,再推导出杂散辐射信号分布函数,通过MATLAB软件将矩阵反演运算,得到各像素点的杂散辐射修正结果,实现杂散辐射的高精度修正。利用不同类型的阵列式光谱辐射计验证了该修正方法,对于非连续分布的窄带光源,测量结果修正后杂散辐射信号降低了一个数量级,并且谱线两边的杂散宽峰显著消除,大幅降低了紫外波段的测量偏差。针对不同光谱分布的光源,建立了两种优势互补的杂散辐射修正方法,有效改善了阵列式光谱辐射计的紫外测量结果偏差,进一步确保我国地球观测数据的准确性和国际等效互认。     

耐高温CrAlON基太阳能光谱选择性吸收涂层的制备与热稳定性

光谱选择性吸收涂层是太阳能光-热利用技术的核心部件,直接决定着整个系统的转换效率,为了提高涂层的选择吸收性和热稳定性,本文提出以金属氮化物替代金属纳米颗粒,构建纳米晶-非晶异质结构的思路,并采用多弧离子镀制备了Cr/CrAlN/CrAlON/CrAlN/CrAlON/CrAlO多吸收层光谱选择性吸收涂层,其吸收率达0.90,发射率为0.15,而且在500℃、大气条件下时效220 h后,涂层的吸收率升至0.94,发射率则降至0.10,并且能够保持稳定1000 h以上.微观组织分析表明,高温时效处理后,吸收层发生部分晶化形成了大量氮化物纳米颗粒,增加了对太阳光的散射和吸收,而CrAlO减反射层中的部分晶化形成了Al2O3和Cr2O3纳米颗粒,这不仅可以保护内部涂层不被氧化,而且Al2O3的形成可以增加太阳光的透过率,减少涂层表面反射,是多吸收层CrAlON基光谱选择性吸收涂层选择吸收性能提高的主要原因.同时,氮化物纳米颗粒被非晶基体均匀地分隔开来,形成了纳米晶-非晶异质结构,非晶在高温时效处理过程中只发生结构弛豫,从而有效地抑制了高温条件下的原子扩散,保证涂层中的纳米颗粒在高温下不发生明显团聚,这是多吸收层CrAlON基涂层具有良好热稳定性的最主要原因.这些研究结果对提高金属陶瓷光谱选择性吸收涂层的综合性能,实现更高效率的太阳能光-热利用具有重大意义.     

High-temperature measurement techniques for the application in photometry,radiometry and thermometry

Well characterised sources of thermal radiation are essential for photometry, radiometry, and thermometry. They serve as reference radiators for the calibration of detectors and radiance sources. Thermal radiation sources are advantageous for this purpose compared to other radiance sources such as lamps or LEDs because they possess a continuous spectrum of the emitted spectral radiance, which, for blackbody sources, can be calculated analytically using Planck’s law of radiation.For application in thermometry, blackbody sources starting from temperatures near absolute zero to temperatures up to 3000 ^°C are needed for the calibration of radiation thermometers. For application in photometry and radiometry high intensity sources of radiation in the visible and UV region of the optical spectrum were required. This latter requirement is met by blackbody sources at temperatures well above 2000 ^°C. An ideal reference source should always emit the same amount of radiation at any time of use. This is realised by fixed-point radiators. Such radiators are based on a phase transition of a substance, at high temperatures the melting and freezing points of metals. However, current metal fixed-points are limited to relatively low temperatures. In the present work innovative techniques necessary for research into high-temperature thermal radiation sources are developed and thoroughly described. Starting with variable temperature blackbody sources the techniques required are: Precise apertures determination and detailed characterisation of the applied optical detectors.The described techniques are then used to undertake research into the development of high-temperature fixed-points above the copper fixed-point for application in photometry, radiometry, and thermometry. Applying these sophisticated techniques it was shown that these new high-temperature fixed-points are reproducible and repeatable to better than 100 mK at temperatures up to nearly 3200 K. Finally, a forward look is given that shows the potential of such fixed-points for improving traceability and accuracy in photometry, radiometry, and thermometry. This work forms the foundation for accurate and practical applications of high-temperature fixed-point sources and sets the international benchmark for measurement techniques in photometry, radiometry, and thermometry. This work will open the use of the novel high-temperature fixed-points in an improved International Temperature Scale and will significantly improve and ease the realisation and dissemination of the SI base unit candela, significantly reducing the uncertainty for industrial measurements in these fields.     

Sunlight absorbing potential of carbon nanoball water and ethylene glycol-based nanofluids

Solar thermal collectors are applicable in the water heating or space conditioning systems in which surface-based absorption of incident solar flux cause high heat losses. Therefore, an enhancement in the efficiency of solar harvesting devices is a basic challenge which requires great effort. Adding nanoparticles to the working fluid in direct absorption solar collector, which has been recently proposed, leads to improvement in the working fluid thermal and optical properties such as thermal conductivity and absorption coefficient. This results certainly in collector efficiency enhancement. In this paper, the characteristics of nanofluids consisting carbon nanoball in water- and ethylene glycol-based suspensions in consideration of their use as sunlight absorber fluid in a DASC are investigated. It was found that by using of 300 ppm carbon nanoballs, the extinction coefficient of pure water and ethylene glycol is increased by about 3.9 cm^?1 and 3.4 cm^?1 in average, respectively. With these significantly promising optical properties, a direct absorption solar collector using carbon nanoball-based nanofluids can achieve relatively higher efficiencies, compared with a conventional solar collector.     

A new solar selective surface

A new waveguide method of providing a selective surface for solar energy applications is described. Some measurements of a vacuum-deposited mesh are given, and elementary theory indicates that ratios of solar absorptance to thermal emittance of 30:1 should be possible at temperatures of about 200°C.     

Remote Fourier Transform Infrared Emission Spectroscopy in the Studies of the Solid Propellant Combustions

In this paper infrared emission spectra of the solid propellant combustion using remote Fourier transform spectroscopy have been studied. Both the infrared spectral radiance distributions and gas quantitative method for solid propellant combustions by remote Fourier transform infrared emission spectroscopy have been presented. In the method we utilize estimating temperature measuring models, which are modified by Junde Wang, based on emission fundamental band measurements of HCl or HF. Through measuring the temperature both the infrared spectral radiance distributions of the solid propellant combustions and their emisivities can be obtained. A remote measured gas concentration model based on combustion temperature, spectral radiance and emissivity has been developed. Field single-ended measurements at long distances for solid propellant plumes at temperature 1700—3500K can be extended to measuring fluctuations of instantaneous temperature and combustion reaction products.     

In situ measurements of the spectral emittance of coal ash deposits

The spectral emittance of deposits left by bituminous and sub-bituminous coals under oxidizing conditions have been measured in situ. Pulverized coal is injected into a down-fired entrained-flow reactor. Ash accumulates on a probe in the reactor effluent and radiation emitted by the ash layer is recorded using a Fourier transform infrared (FTIR) spectrometer. Values for the spectral emissive power emitted by the ash and the surface temperature of the ash are extracted from these data. These results are then used to calculate the spectral emittance of the deposit. The spectral emittances of ash deposits formed by burning Illinois #6 (bituminous) coal and Powder River Basin (sub-bituminous) coal were measured between 3000 and 500 wavenumbers. The spectral emittance of the deposit left by the bituminous coal has a constant value of approximately 0.46 between 3000 and 2400 wavenumbers. Between 2200 and 1200 wavenumbers, the spectral emittance of the deposit increases from approximately 0.47 to approximately 0.61. Between 1200 and 500 wavenumbers, the spectral emittance is relatively constant at 0.61. The spectral emittance of the deposit left by the sub-bituminous coal is also relatively constant between 3000 and 2400 wavenumbers at a value of 0.29. Between 2200 and 500 wavenumbers, the spectral emittance of deposits from the sub-bituminous coal increases from approximately 0.29 to 0.55. Differences between these spectral emittance measurements and those measured ex situ illustrate the importance of making in situ measurements. Band emittances were calculated using the measured spectral emittances, and band emittances of the deposits are reported as functions of temperature.     

地基CE312热红外辐射计定标方法分析与评价

地基CE312热红外辐射计用于星载传感器的定标,其定标精度直接影响热红外传感器的场地定标精度。文章论述CE312-1b带宽辐亮度定标法和分谱辐亮度定标法的定标原理,利用实验室黑体对CE312-1b热红外辐射计进行定标,最后利用2010年8月青海湖的野外实测数据结合MODIS观测值,分析对比两种定标方法所得定标结果的准确性及误差来源。结果表明,带宽辐亮度定标法得到的CE312热红外辐射计定标系数相对分谱辐亮度定标法所得结果在准确性、适用性方面表现更好。