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1、(10)申请公布号 CN 102252755 A (43)申请公布日 2011.11.23 CN 102252755 A *CN102252755A* (21)申请号 201110171762.4 (22)申请日 2011.06.23 G01J 3/28(2006.01) (71)申请人 哈尔滨工业大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大 直街 92 号 (72)发明人 张昱 戴景民 王宗伟 宋扬 (74)专利代理机构 哈尔滨市松花江专利商标事 务所 23109 代理人 张宏威 (54) 发明名称 基于圆筒型前置反射器的多光谱发射率在线 测量装置及方法 (57) 摘要 基于圆筒型前。
2、置反射器的多光谱发射率在线 测量装置及方法， 涉及一种光谱发射率在线测量 装置及方法。它解决了现有光谱发射率在线测量 方法的检测精度较低、 易对被测材料造成破坏的 问题。本发明的圆筒型前置反射器的侧壁底部与 导轨滑动连接 ； 光学瞄准探头悬挂在待测试件的 正上方， 且其探测面面向待测试件的上表面 ； 多 光谱仪的信号输入端通过光纤与光学瞄准探头的 信号输出端连接。本发明的通过圆筒型前置反射 器和光纤式多光谱仪实现发射率在线测量， 无需 破坏待测试件表面而实现了非接触在线测量， 测 量结果精度高。 本发明适用于测量物体的发射率。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (1。
3、2)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 1 页 CN 102252761 A1/2 页 2 1. 基于圆筒型前置反射器的多光谱发射率在线测量装置， 其特征是 ： 它包括多光谱仪 (1)、 光学瞄准探头 (3)、 圆筒型前置反射器 (5)、 导轨 (6) 和支撑架， 导轨 (6) 的两端固定在 支撑架上， 导轨的主体水平设置， 且位于待测试件 (4) 的上方 ； 圆筒型前置反射器 (5) 为下 开口结构， 圆筒型前置反射器(5)的顶面开有光辐射孔， 所述圆筒型前置反射器(5)的球面 底部与导轨(6)滑动连接 ； 光学瞄准探头(3)悬挂在待测试件(4)的正上方， 且所述光学瞄 。
4、准探头 (3) 的探测面面向待测试件 (4) 的上表面 ； 光学瞄准探头 (3) 的探测面与待测试件 (4) 的上表面的距离大于圆筒型前置反射器 (5) 的高度 ； 多光谱仪 (1) 的信号输入端与光 学瞄准探头 (3) 的信号输出端连接。 2. 根据权利要求 1 所述的基于圆筒型前置反射器的多光谱发射率在线测量装置， 其特 征在于它还包括光纤(2)， 多光谱仪(1)的信号输入端通过光纤(2)与光学瞄准探头(3)的 信号输出端连接。 3. 根据权利要求 1 或 2 所述的基于圆筒型前置反射器的多光谱发射率在线测量装置， 其特征在于它还包括步进电机， 所述步进电机用于带动圆筒型前置反射器 (5)。
5、 沿导轨的长 度方向平移。 4. 根据权利要求 3 所述的基于圆筒型前置反射器的多光谱发射率在线测量装置， 其特 征在于它还包括计算机， 多光谱仪 (1) 的信号输出端与计算机的信号输入端连接。 5. 根据权利要求 1、 2 或 4 所述的基于圆筒型前置反射器的多光谱发射率在线测量装 置， 其特征在于多光谱仪 (1) 为光纤多光谱仪。 6. 根据权利要求 5 所述的基于圆筒型前置反射器的多光谱发射率在线测量装置， 其特 征在于圆筒型前置反射器 (5) 为内表面为经抛光处理后的圆筒型前置反射器。 7. 基于要求要求 1 所述的基于圆筒型前置反射器的多光谱发射率在线测量方法， 其特 征是 ： 它由。
6、以下步骤实现 ： 步骤一、 将圆筒型前置反射器 (5) 平移至待测试件 (4) 的正上方， 采用光学瞄准探头 (3) 对准并探测圆筒型前置反射器 (5) 顶面的光辐射孔的辐射光束， 根据公式 ： L1(， T) f(， T)L(， T) 获得垂直于待测试件 (4) 所在平面方向的辐射亮度 L1(， T)， 式中 ： f(， T) 定义 为圆筒型前置反射器(5)空腔有效发射率函数， 其中(， T)是待测试件表面的法向光谱 发射率， 它是波长 和温度 T 的函数 ； L(， T) 是待测试件 (4) 表面在相同条件下黑体的 辐射亮度 ； 步骤二、 将圆筒型前置反射器(5)平移出光学瞄准探头(3)探。
7、测面的探测范围， 采用光 学瞄准探头 (3) 直接探测待测试件 (4) 上表面的辐射光束， 并根据公式 ： L2(， T) (， T)L(， T) 获得垂直于待测试件平面方向的辐射亮度 L2(， T)， 式中 (， T) 是待测试件表面 的法向光谱发射率 ； 步骤三、 根据公式 ： 获得光路中加入圆筒型前置反射器 (5) 情况下多光谱仪 (1) 在波长 i下的电压输出 权 利 要 求 书 CN 102252755 A CN 102252761 A2/2 页 3 值 根据公式 ： 获得光路中不加入圆筒型前置反射器 (5) 情况下多光谱仪 (1) 在波长 i下的电压输 出值 式中 ： R(i) 是。
8、光纤式多光谱仪的光谱响应函数， 对于任一波长 i下 R(i) 是一定 值 ； 步骤四、 根据公式 获得待测试件 (4) 的发射率 (， T)。 权 利 要 求 书 CN 102252755 A CN 102252761 A1/4 页 4 基于圆筒型前置反射器的多光谱发射率在线测量装置及方 法 技术领域 0001 本发明涉及一种光谱发射率在线测量装置及方法。 背景技术 0002 物体的发射率是描述物体热辐射性质的基本参数之一。其在航天航空、 军事国防 和工农业生产中都具有重要的作用。如卫星的热控、 制导与隐身、 太阳能利用、 红外加热和 辐射测温领域中都与材料发射率密不可分。 国内外从事材料发射。
9、率的研究近年来取得了较 大的进步， 解决了实验室内光谱发射率测量问题。 但现代军事技术、 材料科学及能源科学急 需能够在线发射率测量的设备， 在此方面的研究还很少。 0003 目前在线测量方法最实用的数转换黑体法和多光谱法， 其他的方法难以满足在线 测量发射率的实际需要。转换黑体法基本原理是在试样上钻孔或加反射罩， 使被测材料逼 近黑体或变为黑体， 使得在同一温度下用同一探测器分别测量黑体及样品的辐射功率， 从 而得到材料发射率， 这种方法会造成被测材料的损坏， 并且检测精底较低 ； 多光谱辐射测温 法是利用多个光谱下的物体辐射亮度测量信息， 经过数据处理得到物体的真实温度及光谱 发射率。其优。
10、点是 ： 可直接测量发射率， 检测速度快， 便携等 ； 缺点是 ： 只适用于较小尺寸的 样品， 易对被测材料造成破坏， 需在目标周围安装一些辅助工具。 发明内容 0004 本发明是为了解决现有光谱发射率在线测量方法的检测精度较低、 易对被测材料 造成破坏的问题， 从而提供一种基于圆筒型前置反射器的多光谱发射率在线测量装置及方 法。 0005 基于圆筒型前置反射器的多光谱发射率在线测量装置， 它包括多光谱仪、 光学瞄 准探头、 圆筒型前置反射器、 导轨和支撑架， 导轨的两端固定在支撑架上， 导轨的主体水平 设置， 且位于待测试件的上方 ； 圆筒型前置反射器为下开口结构， 圆筒型前置反射器的顶面 。
11、开有光辐射孔， 所述圆筒型前置反射器的球面底部与导轨滑动连接 ； 光学瞄准探头悬挂在 待测试件的正上方， 且所述光学瞄准探头的探测面面向待测试件的上表面 ； 光学瞄准探头 的探测面与待测试件的上表面的距离大于圆筒型前置反射器的高度 ； 多光谱仪的信号输入 端与光学瞄准探头的信号输出端连接。 0006 基于上述装置的基于圆筒型前置反射器的多光谱发射率在线测量方法， 它由以下 步骤实现 ： 0007 步骤一、 将圆筒型前置反射器平移至待测试件的正上方， 采用光学瞄准探头对准 并探测圆筒型前置反射器顶面的光辐射孔的辐射光束， 0008 根据公式 ： 0009 L1(， T) f(， T)L(， T)。
12、 0010 获得垂直于待测试件平面方向的辐射亮度 L1(， T)， 式中 ： f(， T) 是圆筒 说 明 书 CN 102252755 A CN 102252761 A2/4 页 5 型前置反射器空腔有效发射率函数 ； L(， T) 是待测试件表面在相同条件下黑体的辐射亮 度 ； 0011 步骤二、 将圆筒型前置反射器平移出光学瞄准探头探测面的探测范围， 采用光学 瞄准探头直接探测待测试件上表面的辐射光束， 并根据公式 ： 0012 L2(， T) (， T)L(， T) 0013 获得垂直于待测试件所在平面方向的辐射亮度 L2(， T)， 式中 (， T) 是待测 试件表面的法向光谱发射率。
13、， L(， T) 是待测试件表面在相同条件下黑体的辐射亮度 ； 0014 步骤三、 根据公式 ： 0015 0016 获得光路中加入圆筒型前置反射器情况下多光谱仪在波长 i下的电压输出值 根据公式 ： 0017 0018 获得光路中不加入圆筒型前置反射器情况下多光谱仪在波长 i下的电压输出值 0019 式中 ： R(i)是光纤式多光谱仪的光谱响应函数， 对于任一波长i下R(i)是一 定值 ； 0020 步骤四、 根据公式 0021 0022 获得待测试件 4 的发射率 (， T)。 0023 有益效果 ： 本发明的通过圆筒型前置反射器和光纤式多光谱仪实现发射率在线测 量， 无需破坏待测试件表面。
14、而实现了非接触在线测量， 测量结果精度高， 并且易于维护， 可 操作性强。 附图说明 0024 图 1 是本发明装置的结果示意图 ； 图 2 是图 1 的 A-A 向剖视图。 具体实施方式 0025 具体实施方式一、 结合图1和图2说明本具体实施方式， 基于圆筒型前置反射器的 多光谱发射率在线测量装置， 它包括多光谱仪 1、 光学瞄准探头 3、 圆筒型前置反射器 5、 导 轨 6 和支撑架， 导轨 6 的两端固定在支撑架上， 导轨的主体水平设置， 且位于待测试件 4 的 上方 ； 圆筒型前置反射器 5 为下开口结构， 圆筒型前置反射器 5 的顶面开有光辐射孔， 所述 圆筒型前置反射器 5 的球。
15、面底部与导轨 6 滑动连接 ； 光学瞄准探头 3 悬挂在待测试件 4 的 正上方， 且所述光学瞄准探头3的探测面面向待测试件4的上表面 ； 光学瞄准探头3的探测 面与待测试件 4 的上表面的距离大于圆筒型前置反射器 5 的高度 ； 多光谱仪 1 的信号输入 端与光学瞄准探头 3 的信号输出端连接。所述导轨 6 可使圆筒型前置反射器 5 实现二维运 动。 0026 本发明中的光学瞄准探头3是通过对准圆筒型前置反射器5的光辐射孔和待测试 件 4 以便多光谱仪 1 测量不同情况下样待测物体 4 的辐射亮度。 说 明 书 CN 102252755 A CN 102252761 A3/4 页 6 002。
16、7 具体实施方式二、 本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于圆筒型前置反射 器的多光谱发射率在线测量装置的区别在于， 它还包括光纤 2， 多光谱仪 1 的信号输入端通 过光纤 2 与光学瞄准探头 3 的信号输出端连接。 0028 具体实施方式三、 本具体实施方式与具体实施方式一或二所述的基于圆筒型前置 反射器的多光谱发射率在线测量装置的区别在于， 它还包括步进电机， 所述步进电机用于 带动圆筒型前置反射器 5 沿导轨的长度方向平移。 0029 具体实施方式四、 本具体实施方式与具体实施方式三所述的基于圆筒型前置反射 器的多光谱发射率在线测量装置的区别在于， 它还包括计算机， 多光谱仪 1 的。
17、信号输出端 与计算机的信号输入端连接。 0030 具体实施方式五、 本具体实施方式与具体实施方式一、 二或四所述的基于圆筒型 前置反射器的多光谱发射率在线测量装置的区别在于， 多光谱仪 1 为光纤多光谱仪。 0031 本发明中的多光谱仪 1 是由分光系统将光纤 2 传导的辐射能量准直、 色散成不同 波长的具有不同角度的多路平行的光束， 成像在焦平面上而被多元探测器阵列吸收。探测 器阵列完成辐射能转换为电能后经由前置放大器和采样保持器等组成的电气系统将采集 的数据传送电脑进行后续处理。 0032 具体实施方式六、 本具体实施方式与具体实施方式五所述的基于圆筒前置反射器 的多光谱发射率在线测量装置。
18、的区别在于， 圆筒型前置反射器 5 为内表面为经抛光处理后 的圆筒型前置反射器。 0033 具体实施方式七、 基于具体实施方式一所述的基于圆筒前置反射器的多光谱发射 率在线测量方法， 它由以下步骤实现 ： 0034 步骤一、 将圆筒型前置反射器 5 平移至待测试件 4 的正上方， 采用光学瞄准探头 3 探测圆筒型前置反射器 5 顶面的光辐射孔的辐射光束， 0035 根据公式 ： 0036 L1(， T) f(， T)L(， T) 0037 获得垂直于待测试件 4 平面方向的辐射亮度 L1(， T)， 式中 ： f(， T) 是圆筒 型前置反射器 5 空腔有效发射率函数 ； L(， T) 是待测。
19、试件 4 表面在相同条件下黑体的辐 射亮度 ； 0038 步骤二、 将圆筒型前置反射器5平移出光学瞄准探头3探测面的探测范围， 采用光 学瞄准探头 3 直接探测待测试件 4 上表面的辐射光束， 并根据公式 ： 0039 L2(， T) (， T)L(， T) 0040 获得垂直于待测试件所在平面方向的辐射亮度 L2(， T)， 式中 (， T) 是待测 试件表面的法向光谱发射率， L(， T) 是待测试件 4 表面在相同条件下黑体的辐射亮度 ； 0041 步骤三、 根据公式 ： 0042 0043 获得光路中加入圆筒型前置反射器 5 情况下多光谱仪 1 在波长 i下的电压输出 值 0044 根据公式 ： 0045 0046 获得光路中不加入圆筒型前置反射器 5 情况下多光谱仪 1 在波长 i下的电压输 说 明 书 CN 102252755 A CN 102252761 A4/4 页 7 出值 0047 式中 ： R(i)是光纤式多光谱仪的光谱响应函数， 对于任一波长i下R(i)是一 定值 ； 0048 步骤四、 根据公式 0049 0050 获得待测试件 4 的发射率 (， T)。 说 明 书 CN 102252755 A CN 102252761 A1/1 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102252755 A 。