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红外测温目标光谱发射率特性研究

段英  
【摘要】:钛合金(Ti-6Al-4V)因其具有比强度高、比重小以及耐腐蚀等优异性能在航空领域被普遍使用,其红外温度测量对于关键部件的故障预警有着至关重要的作用,而红外光谱发射率是决定红外辐射测温的精度的关键参数。除此之外,发射率还在热防护、红外隐身、红外加热、医学理疗、太阳能利用等领域都有重要应用。但是发射率并非常量,它会随着温度、波长、测量角度、表面成分及状态呈现不同的规律,导致了其测量的难度。本文针对钛合金(Ti-6Al-4V)光谱发射率特性研究的需求,搭建发射率测量装置,并研究了不同参数对于发射率特性的影响。具体研究内容如下:(1)基于能量法的发射率测量原理,搭建了基于近红外光纤光谱仪的发射率测量装置。其主要模块包括近红外光纤光谱仪(Ocean Optics公司的NIRQUEST512-2.5)、参考黑体(Land 1500T,ε0.99)、自制加热装置(充分考虑环境辐射影响,电烙铁芯加热)以及光学聚焦系统(透射式热辐射接收器,聚焦范围:0~300mm),还包括测量系统所需的数据采集及分析软件。整套装置温度测量范围:550~1000~oC,光谱范围:900~2500 nm,光斑直径:4.16 mm。(2)对于搭建好的发射率测量装置进行了准确性和重复性测试,并对黑体和热电偶示值温度分别进行了校准,保证测量数据的准确性。实验前在黑体上采用两点标定的方法求解出光谱仪输出值和绝对辐射的线性转化关系。(3)在空气中进行钛合金高温氧化12h实验,发现发射率随温度升高而升高,随波长增加而出现整体下降的趋势,但会出现振荡现象,分析得到振荡现象产生的原因是光的干涉。同时,不同温度下氧化还会引起表面形貌、成分含量、粗糙度、以及氧化层厚度的不同程度的变化,发射率的变化也和这些因素有着直接联系。为了描述发射率随时间的变化规律,进行曲线拟合建立了高斯逼近数学模型,拟合结果最大误差不超过6%。最后对测量系统及数据进行了不确定度分析,综合各个影响因素,计算得到本实验发射率测量的最大不确定度为3.88%。


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