高温红外头罩不同厚度材料热辐射特性高效测量系统及方法

技术特征：
1.一种高温红外头罩不同厚度材料热辐射特性高效测量系统，其特征在于，包括傅里叶变换红外光谱仪、加热炉、黑体炉、温控巡检仪和数据采集及处理系统；测量时，傅里叶红外光谱仪的探测镜头中心、加热炉中心以及黑体炉腔体中心设置在同一条水平线上；黑体炉，用于发射黑体红外辐射；在测量工作过程中，调整黑体炉改变黑体温度，以发射不同黑体温度下的红外辐射；加热炉，用于红外头罩样品加热；在测量工作过程中，调整加热炉的温度，为红外头罩样品材料提供不同温度；温控巡检仪，用于检测和控制加热炉内的温度；傅里叶红外光谱仪，用于获取透过红外头罩的黑体红外辐射；数据采集及处理系统，用于采集傅里叶红外光谱仪的数据和温控巡检仪，并利用傅里叶红外光谱仪得到的信号计算得到材料在温控巡检仪所显示的温度下的法相光谱表观辐射强度。2.一种高温红外头罩不同厚度材料热辐射特性高效测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、搭建权利要求1所述的高温红外头罩不同厚度材料热辐射特性高效测量系统；步骤二、初始阶段，不启动加热炉，加热炉内不放置样品，启动黑体炉，设定黑体炉温度为t
b
，用傅里叶红外光谱仪获取黑体的红外辐射l
obj
；步骤三、将红外头罩样品放置于高温加热炉内加热，待红外头罩样品材料温度达到指定温度t
win
且分布均匀后，用红外探测器获取透过红外头罩样品材料的红外辐射l
tot
；步骤四、控制样品材料温度，使其温度保持t
win
不变，改变黑体温度t
b
状态下，重复步骤二与步骤三，获取多组黑体温度t
b,i
状态下的红外辐射l
obj,i
和l
tot,i
；其中下标i表示第i次测量；步骤五、当材料的温度不变时，其辐射特性参数为固定值，通过对试验结果的统计，利用最小二乘法拟合多组黑体温度t
b,i
状态下的红外辐射l
obj,i
和l
tot,i
，进而得出温度t
win
均匀分布的红外头罩样品材料的透过率τ
t,win
和自身辐射l
t,win
；步骤六、沿厚度方向将红外头罩样品等分成n层，根据能量守恒关系获得单位厚度δ的红外头罩样品材料的表观光谱透过率自身辐射并基于获得表观法向光谱发射率步骤七、根据辐射传输逆问题求解算法，假设红外头罩样品材料的折射率为吸收系数为通过求解辐射传输方程计算得到该红外头罩样品材料的出射界面上任意角度的表观光谱辐射强度表观法向光谱发射率估计值以及表观光谱透过率估计值步骤八、将步骤六得到的红外头罩样品材料的表观法向光谱发射率与表观光谱透过率和步骤七得到的红外头罩样品材料的表观法向发射率估计值与表观光谱透过率估计值代入如下目标函数计算公式，计算得到目标函数值f
obj
；
步骤九、判断步骤八中的目标函数值f
obj
是否小于设定阈值ξ，若是，则步骤八中所假设的红外头罩样品材料的折射率吸收系数即为该的红外头罩样品材料的真实折射率、吸收系数；若不是，则返回步骤七，根据逆问题算法更新的红外头罩样品材料的折射率吸收系数重新设定红外头罩样品材料的折射率和吸收系数重新计算，直至步骤八中的目标函数值f
obj
小于设定阈值ξ，得到该的红外头罩样品材料的真实折射率吸收系数结合步骤六，目前获得了温度为t
win
的样品材料的自身辐射折射率吸收系数步骤十、改变样品材料的温度t
win
，重复步骤二至步骤九，以获得不同温度t
win,j
下，单位厚度δ红外头罩样品材料的折射率吸收系数与自身辐射其中下标j表示第j组测量；通过计算得到单位厚度δ红外头罩样品材料的不同方向的自身辐射通过不同温度t
win,j
下的样品材料的折射率吸收系数与自身辐射建立不同温度单位厚度δ红外头罩材料的辐射物性数据库；步骤十一、利用物理离散的思想，将待测红外头罩均匀分成m层厚度为δ的薄层；使用红外热像仪测量，待测工况下，各个红外头罩薄层的温度，记为t
win,k
，其中下标k＝1,2,
…
,m，表示第k个薄层；根据测量结果建立红外头罩的温度场，查询步骤十中建立的不同温度单位厚度δ红外头罩材料的辐射物性数据库，得到各个红外头罩薄层的折射率、吸收系数、自身辐射分布场以及不同方向辐射分布场；进而得到红外头罩内不同位置处的折射率以及吸收系数，通过沿厚度方向叠加获取待测红外头罩的方向辐射强度以及方向发射率。3.根据权利要求2所述的一种高温红外头罩不同厚度材料热辐射特性高效测量方法，其特征在于，所述步骤六获得单位厚度δ的红外头罩样品材料的表观光谱透过率自身辐射的过程包括以下步骤：利用辐射传输方程描述目标辐射能量透过红外头罩试件的传递过程，沿辐射传输方向能量守恒，将红外头罩材料等分为n层，假定红外光学窗口的温度t分布均匀，且每一层的表观光谱透过率和自身辐射各向同性，根据辐射传输原理和能量守恒关系得到透过红外头罩材料第1层的总辐射为透过第1～2层的红外辐射为同理可得，透过第1～n层的总辐射即透过整个红外头罩的总辐射为
进而通过由能量法推演出厚度为δ且温度为t的红外头罩材料的表观光谱透过率与红外探测红外头罩的透过率τ
t,win
的代数关系，以及表观光谱透过率红外探测红外头罩的透过率τ
t,win
与自身辐射之间的代数关系；通过测量出厚度为x的红外头罩的透射率和红外辐射特性，进而获得单位厚度δ的红外光学窗口材料的表观光谱透过率和自身辐射热辐射特性数据；红外光学窗口材料即红外头罩材料。4.根据权利要求3所述的一种高温红外头罩不同厚度材料热辐射特性高效测量方法，其特征在于，所述红外头罩材料的表观光谱透过率与红外探测红外头罩的透过率τ
t,win
的代数关系为5.根据权利要求4所述的一种高温红外头罩不同厚度材料热辐射特性高效测量方法，其特征在于，所述表观光谱透过率红外探测红外头罩的透过率τ
t,win
与自身辐射之间的代数关系为6.根据权利要求3、4、或5所述的一种高温红外头罩不同厚度材料热辐射特性高效测量方法，其特征在于，步骤六获得的表观法向光谱发射率如下：式中，l
t,b
表示温度与单位厚度的样品材料的温度相同，即温度为t
win
的黑体辐射强度。7.根据权利要求6所述的一种高温红外头罩不同厚度材料热辐射特性高效测量方法，其特征在于，步骤七所述通过求解辐射传输方程计算得到该红外头罩样品材料的出射界面上任意角度的表观光谱辐射强度表观法向光谱发射率估计值的过程包括以下步骤：假设各向同性介质温度为折射率为吸收系数为反射率为介质厚度为δ；在一维条件下，当介质处于稳态条件下且不考虑介质散射时，辐射传递方程化简为：对简化辐射传递方程进行求解得到前向辐射和后向辐射θ为前向辐射、后向辐射分别与面法线的夹角；在内部边界x＝0处，沿正方向传播的辐射强度包括将入射在界面上的辐射强度反射的部分，因此有：
同理，在内部边界x＝l处，沿负方向传播的辐射强度也包括将入射在界面上的辐射强度反射的部分，即：结合介质内沿正向、负向的辐射传递方程，以及两个边界条件，化简得到：其中，进而出射界面上任意角度的表观光谱辐射强度为：表观法向光谱发射率为：式中，l
t,b
是对应温度为t、波长为λ的黑体辐射强度；由于各向同性介质温度折射率吸收系数反射率为为假设值，因此对应得到的表观法向光谱发射率即为表观光谱发射率估计值8.根据权利要求7所述的一种高温红外头罩不同厚度材料热辐射特性高效测量方法，其特征在于，对简化辐射传递方程进行求解得到的前向辐射和后向辐射如下：下：9.根据权利要求7所述的一种高温红外头罩不同厚度材料热辐射特性高效测量方法，其特征在于，步骤七中的表观光谱透过率估计值通过贝尔定律计算得到。10.根据权利要求9所述的一种高温红外头罩不同厚度材料热辐射特性高效测量方法，其特征在于，步骤七中得到表观光谱透过率估计值的具体过程包括以下步骤：
表观光谱透过率由贝尔定律可以得到：由于各向同性介质温度折射率吸收系数反射率为为假设值，因此对应得到表观光谱透过率即为表观光谱透过率估计值

技术总结
高温红外头罩不同厚度材料热辐射特性高效测量系统及方法，属于热辐射测量技术领域。为了解决现有的采用数值模拟方法存在因为受到待测材料厚度以及测量误差的影响较大导致的重建结果精度交叉的问题。本发明沿辐射传递方向将红外头罩试件等分，根据辐射传输原理和能量守恒关系依次得到透过头罩材料第1层、第1～2层、


技术研发人员：齐宏 朱泽宇 赵颖 任亚涛 何明键 高包海
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2022.03.30
技术公布日：2022/6/21