光学窗口及泡沫材料的高温光谱辐射性质的实验测量研究

发布时间：2020-03-27 12:09

【摘要】：热辐射传输是以电磁波的形式进行能量传递,同时也是一种热光学信号传递方式。一些参与热辐射能量传递、热光学信号传输的半透明材料的热光学特性在许多科学研究和工程技术中是不容忽视的。由于半透明材料内热辐射传输具有容积性和方向性的特点,所以往往需要做大量的实验测量和定量分析来揭示材料内部的热辐射行为。研究半透明材料的介质热辐射特性,实质上是热辐射反问题研究。该类热辐射反问题研究涉及半透明试件的表观热辐射特性测量、实验的模拟计算、以及介质热辐射参数的反演辨识。研究过程是一个融合实验测量和数值模拟的热辐射领域非常重要的基础性研究课题。研究结果可以广泛的支撑涉及能量容积式分布、热光学信号传输的技术应用和科学研究领域。针对典型的半透明材料,熔融SiO_2,Al_2O_3单晶和Al_2O_3多晶泡沫陶瓷,本文进行了表观特性的测量方法、高温热辐射测量装置、透射和反射特性的测量及不确定度分析,以及介质热辐射物性的反演辨识等方面的研究。利用半透明介质的表观辐射特性具有容积性和方向性的特点,针对窗口类纯吸收性材料,提出了多厚度测量法和叠层界面测量方法,解决了同时在高透光谱区和半透明光谱区获取各种不同高温透射、反射特性的问题。针对高孔隙开孔泡沫材料,提出了多厚度测量法和多维几何效应测量法,实现了在强散射光谱区获取各种具有较高信噪比的高温透射、反射特性的目的。讨论了多厚度测量法和叠层界面法的适用范围,以及圆柱型、圆球型、圆锥型试件对方向-方向透射和反射特性的三维几何效应。研制了高温红外连续光谱方向-方向透射和反射特性实验系统,测量温度范围300-1800K,光谱范围0.85-25?m。设计了预真空-氩气高温加热装置,可以形成最大温差小于10K的均温区。采用均温区对试件进行加热,克服了试件温度梯度对测量结果的影响。开发了可热态旋转的试件支架,该支架由步进电机和计算机控制,旋转范围±180o,旋转精度0.01o。试件旋转,配合加热室侧壁上固定位置的测量孔,可以实现高温方向-方向透射和反射特性的测量。基于傅立叶光学原理,以及对高温杂光的产生和传输的分析,推导了高温方向-方向透射和反射特性的测量模型,可以有效地减小“杂光噪声”和“零漂噪声”对FTIR光谱仪输出的光谱图的污染。采用绝对标定法,利用Thorlabs提供的标准ZnSe试件对测量模型中的仪器函数进行了标定,并分析了仪器函数的光谱分布特点。测量了熔融SiO_2、Al_2O_3单晶窗口材料和Al_2O_3多晶泡沫陶瓷材料,并进行了不确定度分析,结果表明测量不确定度小于0.005。分析了典型试件的各种高温方向-方向透射和反射特性测量数据,其中,SiO_2窗口材料的光谱测试范围为0.85-5.0?m,温度测试范围300-1800K;Al_2O_3单晶窗口的光谱测试范围0.85-7.0?m,温度测试范围300-1800K;Al_2O_3多晶泡沫材料的光谱测试范围0.85-3.0?m,温度测试范围300-1200K。开发了改进的遗传算法反演辨识程序,加入了指数编码、小生境遗传、最优保存策略等高级遗传技术。反演获得了测试材料的折射率、吸收指数、衰减系数、散射反照率等高温光谱介质热辐射物性参数。发现了SiO_2窗口材料在1.4?m、2.2?m和2.75?m附近的吸收带随温度升高的非单调变化规律。发现了Al_2O_3单晶窗口的高透射截止波长随温度升高向短波方向移动的规律。发现了Al_2O_3多孔泡沫材料在0.85-3.0?m的散射反照率接近于1的强散射特点。
【图文】：

递方式[1]。尤其是在高温，或者真空环境中，热辐射是最重要的传递方式些参与热辐射能量传递、热光学信号传输的半透明材料的热辐射物性在许程技术和科学研究中是不容忽视的，例如太阳能利用工程、红外遥感技术隔热设计、红外无损检测、高温工程和低温制冷、红外测温等。比如，飞热设计中防隔热材料在高温下对热辐射的半透明特性是评价其好坏的标一[2]。由具有光谱选择性的光学窗口、多孔介质吸热芯组成的容积式太阳能吸，在太阳能高温热转换中有广泛的应用前景。这种吸热器的光学窗口是一用材料光谱选择性设计的节能窗口[3,4]。一方面，光学窗口对入射的太阳束具有高透过、低吸收性；另一方面，光学窗口对吸热腔内的高温吸热芯温壁面发射的红外热辐射具有强烈的阻挡作用(反射和吸收)。因此，光学使入射到吸热器的太阳能被有效的控制在吸热腔体内，减少了散热损失。窗口物性参数的光谱选择性和温度依赖性是吸热器的入射、出射能流密度谱分布，，方向非均匀性研究的基础性关键物性参数。

哈尔滨工业大学工学博士学位论文属常用作太阳能吸热器或反应器的容积吸热芯散射系数、散射相函数等是预测模拟吸热腔内。热辐射物性的准确性往往是制约着吸热器容因素之一。中，遥感窗口不仅是保护探测、成像仪器的关线的必经路径，控制着入射光信号的光谱分布平台可能是人造卫星、浮空器、飞机或其他飞能面对各种各样的复杂热光学环境。其热光学的基础物性参数。比如径向温度梯度引起折射程差，最终导致系统波像差[9]。特别是超音速的气动加热作用后，头罩的热辐射严重降低红外
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.4;O441.4

【参考文献】

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6 刘鹏飞;童正明;;辐射腔体热源反向优化设计[J];工业加热;2007年04期

7 戴景民;王新北;;材料发射率测量技术及其应用[J];计量学报;2007年03期

8 范纪红;侯西旗;杨照金;尹涛;秦艳;刘建平;;红外探测器光谱响应度测试技术研究[J];应用光学;2006年05期

9 娄春,周怀春;炉膛中二维温度场与辐射参数的同时重建[J];动力工程;2005年05期

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4 吴斌;热辐射温度测量技术研究[D];哈尔滨工程大学;2012年

5 岳春英;基于氧化铝单晶的红外增反膜的制备与研究[D];哈尔滨工业大学;2008年

本文编号：2602934