便携式发射率测量系统的研制

论文摘要

材料发射率是表征材料热辐射特性的一项重要参数,在航空航天、国防、地质测绘及民用等领域中都有着至关重要的意义。随着科学技术的迅速发展,各领域对其测量精度的要求也越来越高,但材料发射率并不是材料的本征特性,它不仅与材料的组成成分、材料温度、波长有关,还与材料的表面状态、辐射的观察方向等多种因素有关,故很难准确测量。近年来,国内外众多专家学者虽然进行了大量的研究,提出了多种测量方法,搭建了多套测量系统,得到了多种材料的发射率测量数据,但目前的发射率测量系统仍普遍有体积大、重量高、测量环境要求苛刻及系统造价昂贵等缺点,导致材料发射率由于测量系统的限制在很多领域都无法应用,因此设计一套方便携带、环境要求不高、发射率测量精度较好的便携式发射率测量系统具有重要的意义。基于上述目标,本文研究了已有的发射率测量方法,选择了一种能够应用在便携式测量系统中的发射率测量方法,进而基于该方法实现了便携式发射率测量系统。本文的主要研究内容体现在以下几个方面:以基尔霍夫定律及黑体三大基本辐射定律为基础,根据便携式发射率测量系统的实际要求,建立了基于积分球反射计的发射率测量系统的数学模型,进而推导出材料发射率的数学表达式。按照已建立数学模型的要求,从光源系统的设计、光纤光谱仪的选择、积分球系统的设计、加热及温度控制系统的设计四方面搭建出便携式发射率测量系统的硬件平台,在此基础上采用LabVIEW8.20作为开发工具,依据算法原理和流程设计并编写了材料光谱数据的分析计算、处理结果存储及报表生成两个软件模块,同时完成用户界面以支持各项操作和结果查看功能,经过实验该系统能够实现便携式发射率测量的要求。便携式发射率测量系统的验证实验分为两方面,一方面对非金属、金属及涂层材料的法向光谱发射率进行测量,测量结果与理论相符,验证了此基于积分球反射计的发射率测量方法的可行性;另一方面进行系统的误差源分析,最终给出整套系统的相对不确定度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 材料发射率测量技术的研究现状及分析
• 1.2.1 半球发射率测量
• 1.2.2 方向发射率测量
• 1.3 课题主要研究内容
• 第2章 发射率测量原理研究及数学模型建立
• 2.1 材料热辐射基本理论
• 2.1.1 基尔霍夫定律
• 2.1.2 黑体三大基本辐射定律
• 2.2 材料发射率的基本概念
• 2.2.1 材料发射率的定义
• 2.2.2 材料发射率的分类
• 2.3 基于积分球反射计的发射率测量系统数学模型的建立
• 2.4 本章小结
• 第3章 测量系统的研制
• 3.1 总体设计
• 3.2 硬件系统设计
• 3.2.1 光源系统的设计
• 3.2.2 光谱采集系统的选择
• 3.2.3 积分球系统的设计
• 3.2.4 加热及温度控制系统的设计
• 3.3 软件系统设计
• 3.3.1 光谱数据采集及分析软件
• 3.3.2 基于LabVIEW8.20 的实际应用程序设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 法向光谱发射率测量实验及不确定度分析
• 4.1 概述
• 4.1.1 不透明非金属材料发射率的一般变化规律
• 4.1.2 金属材料发射率的一般变化规律
• 4.2 材料光谱发射率测量实验
• 4.2.1 非金属材料的法向光谱发射率测量实验及结果
• 4.2.2 金属材料的法向光谱发射率测量实验及结果
• 4.2.3 涂层材料的法向光谱发射率测量实验及结果
• 4.3 不确定度分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢