红外测温目标光谱发射率特性研究
发布时间：2021-11-18 18:21
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,ε>0.99）、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:0300mm）,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:5501000...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
TohruIuchi教授的发射率测量装置
验结果表明，该方法与文献中获得的直接发射率数据以及哈根-鲁本斯关系得到的理论发射率具有很好的匹配性。除此之外，利用此装置研究了570oC以下铁基材料的氧化动力学关系，利用薄膜的辐射效应理论，得到了氧化厚度随时间的变化规律。根据氧化层厚度研究氧化动力学函数，将氧化层厚度与时间拟合得到抛物线速率常数，并于参考文献相对比，抛物线速率常数和活化能值与理论预测有很好的一致性。对于存在差异的地方，用表面粗糙度、杂质、试样几何形状、金属中的空位扩散、金属晶粒尺寸、氧偏压力等氧化动力学观点进行解释。图1-3LeiredelCampo教授的发射率测量装置及样品加热装置[7]。(a)发射率测量装置光路图；(b)样品加热装置德国巴伐利亚应用能源研究中心的能源效率部的Manara,Jochen[25-29]和MEGGIT传感器公司、西门子三家合作，研究了测量发射率的三种装置。一是在室温下测量的石墨积分球测量装置；二是高温下测量法向半球发射率的黑体边界条件装置（BBC），三是测量方向发射率的测量装置（EMMA），如图1-4所示。
第一章绪论5通过等离子喷涂获得200-500μm的涂层PYSZ-TBCs，这些独立的TBC层通过沉积Fe3O4、FeO-Fe2O3和部分Fe2O3以及其他含有Ti、Fe和Ni的化合物以及钙镁铝硅酸盐(CMAS)的化合物进行人工老化。使用EMMA测量了涂层的透过率，发现8μm以上的透过率接近于0。测量发射率和气体透过率谱线，选出针对涂层的合适波段为10μm。采用长波、短波高温计和傅里叶变换光谱仪同时测量涂层，发现长波高温计的误差较小，因此得到结论，针对有涂层的涡轮叶片材料，采用长波高温计测量精度较高。图1-4德国巴伐利亚应用能源研究中心的Manara,Jochen的发射率测量装置[27]1.2.2国内研究现状中国科学院工程热物理研究所李勋峰老师[11,30-32]从2016年开始了高温发射率测量的研究，并合理运用材料表征工具佐证发射率的变化。他们设计的装置主要由样品加热组件和温度控制器、包含一系列聚焦镜组的辐射接收器、FTIR和黑体组成，如图1-5所示。自制的光学系统焦距200mm，成像光斑约3mm.在样品前端中心打孔20mm，深入K型热电偶测量样品温度。在加热稳定后的0min开始测量，直到氧化后12h。研究了三种镍基合金DZ125、DD6和K465在不同氧化温度、不同波长、不同加热时间、以及干涉引起的振荡对发射率的影响。整体来说，随着氧化膜变厚，振荡极值向长波移动；发射率随着氧化温度增大而增大。利用扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)对氧化层的表面形貌和组成进行了分析，但是在振荡期间，和平常的氧化规律不一致。随着加热时间增大而增大，随着氧化层增厚，发射率逐渐趋于稳定值。随波长增加而减小，建立了发射率和温度、加热时间的模型，拟合误差在4%以内。除此之外，利用此套装置还测量了大气等离子体喷涂的8wt%钇稳定氧化锆(8YSZ)TBCs的发射率，反射率、透射率，推导?
【参考文献】：
期刊论文
[1]光谱发射率测量技术[J]. 戴景民,宋扬,王宗伟. 红外与激光工程. 2009(04)
[2]钛合金在飞机上的应用[J]. 李重河,朱明,王宁,鲁雄刚,程申涛. 稀有金属. 2009(01)
[3]高温钛合金的发展和应用[J]. 许国栋,王凤娥. 稀有金属. 2008(06)
[4]基于傅里叶红外光谱仪的光谱发射率测量装置的研制[J]. 王新北,萧鹏,戴景民. 红外与毫米波学报. 2007(02)
[5]航空发动机钛火故障及防护技术[J]. 霍武军,孙护国. 航空科学技术. 2002(04)
博士论文
[1]基于傅立叶红外光谱仪的材料光谱发射率测量技术的研究[D]. 王新北.哈尔滨工业大学 2007
[2]多光谱辐射测温技术研究[D]. 戴景民.哈尔滨工业大学 1995
硕士论文
[1]钴和镍光谱发射率特性研究[D]. 郭帅.河南师范大学 2017
[2]极化光谱发射率测量装置的研制[D]. 李龙飞.河南师范大学 2017
[3]钛合金起燃过程中红外测温方法研究[D]. 王飞.电子科技大学 2017
[4]铜、钢和铁的光谱发射率的研究[D]. 许开品.河南师范大学 2016
[5]基于光栅单色仪的光谱发射率测量装置[D]. 张凯华.河南师范大学 2015
[6]半透明固体材料高温光谱辐射特性测量方法研究[D]. 舒银银.南京理工大学 2015
[7]高温条件下材料光谱发射率测量研究[D]. 王龙升.南京理工大学 2014
[8]金属有机物化学气相沉积在线监测仪的研制[D]. 关国坚.华中科技大学 2012
[9]便携式发射率测量系统的研制[D]. 王国强.哈尔滨工业大学 2009
[10]基于傅立叶光谱仪发射率测试系统的研制[D]. 王宗伟.哈尔滨工业大学 2007
本文编号：3503380
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
TohruIuchi教授的发射率测量装置
验结果表明，该方法与文献中获得的直接发射率数据以及哈根-鲁本斯关系得到的理论发射率具有很好的匹配性。除此之外，利用此装置研究了570oC以下铁基材料的氧化动力学关系，利用薄膜的辐射效应理论，得到了氧化厚度随时间的变化规律。根据氧化层厚度研究氧化动力学函数，将氧化层厚度与时间拟合得到抛物线速率常数，并于参考文献相对比，抛物线速率常数和活化能值与理论预测有很好的一致性。对于存在差异的地方，用表面粗糙度、杂质、试样几何形状、金属中的空位扩散、金属晶粒尺寸、氧偏压力等氧化动力学观点进行解释。图1-3LeiredelCampo教授的发射率测量装置及样品加热装置[7]。(a)发射率测量装置光路图；(b)样品加热装置德国巴伐利亚应用能源研究中心的能源效率部的Manara,Jochen[25-29]和MEGGIT传感器公司、西门子三家合作，研究了测量发射率的三种装置。一是在室温下测量的石墨积分球测量装置；二是高温下测量法向半球发射率的黑体边界条件装置（BBC），三是测量方向发射率的测量装置（EMMA），如图1-4所示。
第一章绪论5通过等离子喷涂获得200-500μm的涂层PYSZ-TBCs，这些独立的TBC层通过沉积Fe3O4、FeO-Fe2O3和部分Fe2O3以及其他含有Ti、Fe和Ni的化合物以及钙镁铝硅酸盐(CMAS)的化合物进行人工老化。使用EMMA测量了涂层的透过率，发现8μm以上的透过率接近于0。测量发射率和气体透过率谱线，选出针对涂层的合适波段为10μm。采用长波、短波高温计和傅里叶变换光谱仪同时测量涂层，发现长波高温计的误差较小，因此得到结论，针对有涂层的涡轮叶片材料，采用长波高温计测量精度较高。图1-4德国巴伐利亚应用能源研究中心的Manara,Jochen的发射率测量装置[27]1.2.2国内研究现状中国科学院工程热物理研究所李勋峰老师[11,30-32]从2016年开始了高温发射率测量的研究，并合理运用材料表征工具佐证发射率的变化。他们设计的装置主要由样品加热组件和温度控制器、包含一系列聚焦镜组的辐射接收器、FTIR和黑体组成，如图1-5所示。自制的光学系统焦距200mm，成像光斑约3mm.在样品前端中心打孔20mm，深入K型热电偶测量样品温度。在加热稳定后的0min开始测量，直到氧化后12h。研究了三种镍基合金DZ125、DD6和K465在不同氧化温度、不同波长、不同加热时间、以及干涉引起的振荡对发射率的影响。整体来说，随着氧化膜变厚，振荡极值向长波移动；发射率随着氧化温度增大而增大。利用扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)对氧化层的表面形貌和组成进行了分析，但是在振荡期间，和平常的氧化规律不一致。随着加热时间增大而增大，随着氧化层增厚，发射率逐渐趋于稳定值。随波长增加而减小，建立了发射率和温度、加热时间的模型，拟合误差在4%以内。除此之外，利用此套装置还测量了大气等离子体喷涂的8wt%钇稳定氧化锆(8YSZ)TBCs的发射率，反射率、透射率，推导?
【参考文献】：
期刊论文
[1]光谱发射率测量技术[J]. 戴景民,宋扬,王宗伟. 红外与激光工程. 2009(04)
[2]钛合金在飞机上的应用[J]. 李重河,朱明,王宁,鲁雄刚,程申涛. 稀有金属. 2009(01)
[3]高温钛合金的发展和应用[J]. 许国栋,王凤娥. 稀有金属. 2008(06)
[4]基于傅里叶红外光谱仪的光谱发射率测量装置的研制[J]. 王新北,萧鹏,戴景民. 红外与毫米波学报. 2007(02)
[5]航空发动机钛火故障及防护技术[J]. 霍武军,孙护国. 航空科学技术. 2002(04)
博士论文
[1]基于傅立叶红外光谱仪的材料光谱发射率测量技术的研究[D]. 王新北.哈尔滨工业大学 2007
[2]多光谱辐射测温技术研究[D]. 戴景民.哈尔滨工业大学 1995
硕士论文
[1]钴和镍光谱发射率特性研究[D]. 郭帅.河南师范大学 2017
[2]极化光谱发射率测量装置的研制[D]. 李龙飞.河南师范大学 2017
[3]钛合金起燃过程中红外测温方法研究[D]. 王飞.电子科技大学 2017
[4]铜、钢和铁的光谱发射率的研究[D]. 许开品.河南师范大学 2016
[5]基于光栅单色仪的光谱发射率测量装置[D]. 张凯华.河南师范大学 2015
[6]半透明固体材料高温光谱辐射特性测量方法研究[D]. 舒银银.南京理工大学 2015
[7]高温条件下材料光谱发射率测量研究[D]. 王龙升.南京理工大学 2014
[8]金属有机物化学气相沉积在线监测仪的研制[D]. 关国坚.华中科技大学 2012
[9]便携式发射率测量系统的研制[D]. 王国强.哈尔滨工业大学 2009
[10]基于傅立叶光谱仪发射率测试系统的研制[D]. 王宗伟.哈尔滨工业大学 2007
本文编号：3503380
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