一种测量金属熔点温度和法向光谱发射率的多光谱数据处理方法研究

金属熔点温度和法向光谱发射率数据是国际上对电流脉冲加热技术测量材料热物性参数的关键比对点。针对连续测量金属熔点附近温度的特点,提出了一种新的发射率假设模型,并在此基础上提出了一种新的多光谱高速高温计的数据处理方法。该方法只需使用多光谱高速高温计作为测量装置,通过处理两个不同时刻多光谱高速高温计的测量数据,由计算可同时获知两个时刻的真温及光谱发射率。经对国外的标准铌试样进行了测试,所得数据与国外同行的测量数据进行了比对,具有较好的一致性,实验结果表明,熔点真温计算值与生产者提供的值之差在±20K以内。     

基于积分球反射计的红外光谱发射率测量系统校正方法

针对非理想参考反射标准对光谱发射率测量结果的影响,基于积分球反射计的红外发射率测量系统原理,提出了一种适用于反射法光谱发射率测量系统的校正方法。通过参考反射标准样光谱反射率的数据拟合,得到反射率的曲线方程,计算反射测量系统的校正系数,校正参考标准样的输出电压,推导出光谱反射率为1的参考标准样输出电压曲线,消除了非理想参考标准造成的系统误差。应用该修正方法对基于积分球反射计的太阳能选择吸收涂层光谱发射率测量系统进行了校正,将校正后的光谱发射率测量结果与能量比较法的测量结果进行对比,验证了校正方法的可行性,有效性,提高了光谱发射率测量的准确度。     

固体材料定向光谱发射率测量装置研究及误差分析

针对红外隐身材料光谱发射率测评的需要,提出一种基于能量法的发射率测量模型,并建立起固体材料定向光谱发射率测量装置,能实现温度范围50℃～300℃与光谱范围1.3μm～14.5μm的固体材料定向光谱发射率测量。通过对试样进行实测,得到不同样品在150℃和同一样品在不同温度下的光谱发射率曲线,得出该材料发射率随温度变化的结论。最后分析了样品同黑体温度不等引起的误差,给出温差为1℃和2℃时,发射率相对误差随温度与波长的分布曲线,以及不同黑体温度下3μm～5μm和8μm～14μm的平均相对误差值。     

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。     

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。     

300～1123K铜红外光谱发射率特性研究

基于基尔霍夫定律,利用砷化镓(GaAs)半导体激光器作为标准光源研制了一种能够准确实时测量不透明物体光谱发射率的反射式测量装置。利用该装置在300~1 123K之间对黄铜和紫铜两种样品在波长1.55μm处的光谱发射率进行了系统的研究,探讨了温度、氧化、加热时间等因素对两种铜样品光谱发射率的影响。实验结果表明:黄铜和紫铜的光谱发射率均随温度的升高而增大,并且紫铜的光谱发射率始终大于黄铜的光谱发射率,两种样品随温度的光谱发射率曲线均出现了峰值和谷值。通过分析有氧化膜时金属表面的反射模型,得到了金属表面氧化膜厚度的计算公式,并利用该公式估算了紫铜发射率出现峰值和谷值时氧化膜的厚度。恒温长时间测量结果表明:光谱发射率随加热时间出现小幅增大,2h后,由于样品表面氧化达到一定程度,氧化速率开始变缓,样品表面的光谱发射率也随之开始趋于稳定。样品在较高温度处的光谱发射率数值始终大于较低温度处的发射率数值。该研究进一步丰富了铜的光谱发射率数据,并为其光谱发射率的应用提供了实验依据。     

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。     

IRS400型材料发射率测试装置的研制

为了准确评估红外材料和涂层的隐身性能,研制了一套IRS400型材料发射率测试装置,主要用于温度范围（50～400）℃,光谱范围（3～5）m和（8～12）m的固体不透明材料和涂层定向发射率测量。给出IRS400型材料发射率测试装置的技术指标,阐述其工作原理,IRS400的光学系统采用全反射式设计,探测器选用钽酸锂热释电探测器,采用50 ℃～1 000 ℃黑体辐射源标准装置对黑体发射率B（1,2）进行标定。通过解决标定和环境温度补偿等关键技术,确保发射率测量不确定度小于2%(k=2)。     

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。     

纯钨红外光谱发射率特性研究

光谱发射率是一个重要的热物性参数,在辐射测温、热传输计算等领域有着广泛的应用。钨作为一种重要的金属,关于其光谱发射率的研究报道较少。利用黑体炉、傅里叶红外光谱仪、加热装置和光学系统搭建了一套能量对比法光谱发射率测量装置,该装置能够测量3~20μm的光谱发射率,测量装置的整体不确定度优于5%。利用该装置测量了纯钨在4个温度点(573, 673, 773和873 K)的法向光谱发射率,重点探讨了氧化、温度、波长和加热时间对纯钨光谱发射率的影响。研究结果表明:纯钨在表面未氧化的情况下,光谱发射率在几个温度点的变化规律基本一致,且数值相差较小,而当其表面发生氧化后光谱发射率迅速增加,在某些波长处出现了强烈的振荡。表面未氧化时纯钨的光谱发射率受温度的影响较小,随着温度的增加仅出现微小的增加,但是当表面发生氧化后,随温度的升高而迅速增大。纯钨的光谱发射率整体上随着波长的增加而减小,但是当表面发生氧化后,由于表面氧化膜与钨金属基底发生干涉效应,在4, 9, 12.5和16.5μm处均出现了峰值。在573和673 K,纯钨的光谱发射率随着加热时间的增加无明显变化。然而,随着温度的升高,在773和873 K时,光谱发射率随着加热时间增加而增大,在773 K时光谱发射率随加热时间的增加增幅较大,因为在该温度点,纯钨表面刚开始发生氧化,氧化速率较大,在873 K时光谱发射率随加热时间的增加增幅较为平缓,并且随着加热时间的增长呈现稳定的趋势。综上,纯钨的光谱发射率在温度较低和表面未氧化时较为稳定。随着温度的升高,当表面发生氧化后,光谱发射率迅速增大,并且在多个波长位置出现了强烈的振荡。由此可见,纯钨光谱发射率受温度、波长、加热时间的影响较大,在实际应用过程中,特别是在辐射测温过程中,如果把纯钨的光谱发射率看做常数将会带来较大的测量误差。该研究将进一步丰富钨的光谱发射率数据,并为其在科学研究和应用中提供数据支持。     

基于约束优化的多光谱辐射真温反演算法

多光谱辐射测温是通过测量待测物某点的多个光谱辐射强度信息,通过普朗克公式反演获得真实温度。但是,通过普朗克公式获得的多光谱辐射测温方程组,是欠定方程组,即N个方程,N+1个未知数(N个未知的光谱发射率ε_λi和1个待求真温T)。目前,多采用事先假设一组发射率模型(发射率-波长或发射率-温度模型),假设模型与实际情况如果相符,则反演结果能够满足要求,如果假设模型与实际情况不符,则反演结果误差很大。但是,发射率模型受温度、表面状态、波长等诸多因素影响,难以事先确定发射率模型。因此受未知光谱发射率的制约一直是多光谱辐射测温理论面临的主要障碍,能否在无需任何光谱发射率假设模型的情况下,实现真温和光谱发射率的直接反演一直是多光谱辐射测温理论研究的热点和难点。通过对参考温度模型的分析表明,多光谱辐射测温反演过程的实质是寻找一组光谱发射率,使得每个通道方程解得的真温都相同,如不相同则继续寻找合适的光谱发射率,直到每个通道解得的真温都相等。为此,提出将多光谱辐射测温参考温度模型的求解过程转换为约束优化问题,即在光谱发射率0≤ε_λi≤1的约束条件下,通过梯度投影算法不断寻找光谱发射率,带入多光谱辐射测温参考温度模型方程组后,计算温度反演值的方差,直到每个光谱通道方程获得的温度值应该近似相等,此时各个光谱通道的温度反演值方差最小,这样就把多光谱辐射真温和发射率的反演问题转换为约束优化问题。约束优化算法是解决这一类问题的主要方法,但为了满足Ax≥b的约束条件,将0≤ε_λi≤1分解为ε_λi≥0和-ε_λi≥-1的两个约束条件,从而满足了约束优化问题Ax≥b的约束条件。这样就可以通过约束优化算法在无需任何光谱发射率假设模型的条件下,直接求解真温和光谱发射率。实验采用六种不同光谱发射率分布模式(随波长递增、递减、凸波动、凹波动、“M”型波动、“W”型波动)的材料为研究对象,以验证新算法对不同材料光谱发射率分布反演的适应性,利用Matlab的minRosen函数,选择光谱发射率的初始值均为0.5(取中间值,提高计算效率)。针对六种不同光谱发射率模型的仿真结果表明,新算法无需任何有关发射率的先验知识,对不同发射率模型反演结果均表现较好,在真温1 800 K的情况下,绝对误差均小于20 K,相对误差均小于1.2%,新算法具有无需考虑任何光谱发射率先验知识、反演精度较高及适合于各种发射率模型等优点,进一步完善了多光谱辐射测温理论,在高温测量领域具有良好的应用前景。     

Infrared technique for simultaneous determination of temperature and emissivity

This paper presents, in the context of materials dynamic behaviour study, a method for simultaneous measurement of the temperature and emissivity of a solid’s surface, by the use of infrared radiation. In contrast to existing methods, this method has no need for a pre-measurement of the surface emissivity. The emissivity and the temperature are measured simultaneously, by detecting the variations of emitted radiation and infrared radiation reflecting on the surface, at two different spectral zones. In this way, the accuracy of the measured temperature is greatly improved in cases were the surface optical properties vary during the measurement. Several experiments were carried out in order to complete the theoretical foundation of the method and to outline its accuracy and some of its limitations. There are various industrial applications of this method, for example the control of the temperature of the mechanical parts during work machining. One of them may be the measurement of the temperature of a sample during mechanical testing. An application of the method is proposed, that is easy to employ with non-sophisticated infrared and optical components. The results confirm the accuracy of the proposed method with an order of 3% of precision for temperature determination.     

Apparent directional spectral emissivity determination of semitransparent materials

An inverse estimation method and corresponding measurement system are developed to measure the apparent spectral directional emissivities of semitransparent materials. The normal spectral emissivity and transmissivity serve as input for the inverse analysis. Consequently, the refractive index and absorption coefficient of the semitransparent material could be retrieved by using the pseudo source adding method as the forward method and the stochastic particle swarm optimization algorithm as the inverse method. Finally, the arbitrary apparent spectral directional emissivity of semitransparent material is estimated by using the pseudo source adding method given the retrieval refractive index and absorption coefficient. The present system has the advantage of a simple experimental structure, high accuracy, and excellent capability to measure the emissivity in an arbitrary direction. Furthermore, the apparent spectral directional emissivity of sapphire at 773 K is measured by using this system in a spectral range of 3 μm–12 μm and a viewing range of 0?–90?. The present method paves the way for a new directional spectral emissivity measurement strategy.     

Total emissivity measurements without use of an absolute reference

Total emissivity measurement by ordinary steady state radiometric methods are difficult at low temperature; besides, those methods require an emissivity reference. In this paper, several new periodic methods suitable for total emissivity measurements are presented. First it is shown that the thermal modulation of a sample allows direct emissivity measurements, even at low temperature, with an ordinary equipment involving no cooled vessel. Very accurate measurements have been performed within a few minutes at room temperature, on reflective materials. Second, it is shown that indirect total emissivity measurements are also feasible, provided source and sample temperatures are equal. This condition can be fulfilled with a modulated temperature hemispherical gray surface as IR source, or in a simpler way, with a mobile part of a hemisphere. Third, it is shown that if both sample and source temperatures are modulated, simultaneous direct and indirect measurements can be carried out. This results in an absolute emissivity measurement without reference. As an experimental validation, simultaneous direct and indirect measurements of the total directional emissivity are carried out on three samples at room temperature. Periodic radiometry methods are found to be reliable and accurate, emission and reflection measurements giving the same result.     

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。     

基于光谱发射率函数基形式不变的辐射测温技术

近年来,随着国防、工业、科技等领域飞速发展,无论是对于军用动力发射系统还是对于民用钢铁冶炼以及高科技新兴产业,辐射温度测量都具有重要意义。尤其在温度极高且伴随着瞬态测温(小于1 μs)需求的场合,多光谱辐射测温法被广泛运用。多光谱辐射测温法是通过选取被测目标多个特征波长,测量特征波长的辐射信息,再假设发射率与波长相关的数学模型,最终求解得到辐射温度。目前,利用该方法实际测温时,光谱发射率都采用固定的假设数学模型,而针对目标在不同温度状态下,该固定模型则无法进行自适应变化。同样,在不同温度下,如何解算最终的发射率和辐射温度也没有普适性的方法。基于普朗克黑体辐射定律,提出一种被测目标在不同温度下光谱发射率函数基形式不变的思想,简称发射率函数基形式不变法。通过该方法,发射率模型可以根据物体在不同温度状态下,函数系数动态改变来进行自适应变化。同时对于如何解算最终的发射率和辐射温度也相应提出了普适性的方法。通过大量仿真验证以及实际测量光谱辐射照度标准灯和溴钨灯温度实验,证明本文提出的方法比现有的光谱发射率处理方法更加简单实用并且能够有效地提高光谱发射率的计算精度,从而提高辐射温度测量精度。同时具有实用性好、应用广泛等特点。