CN110672655A - 热辐射性能原位检测***及方法 - Google Patents

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兰少飞
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Abstract

本发明涉及热辐射性能测量技术领域内的一种热辐射性能原位检测***，包括光源模块、光源标定模块、控制模块、样品室以及数据处理模块；光源模块，提供待测样品进行辐照实验与热辐射性能检测所需的光源；光源标定模块，用于待测样品与参考标准在同等条件下的热辐射性能参数的比对；样品室，对待测样品进行性能测试以及数据采集；控制模块包括运动控制单元与数据采集控制单元；数据处理模块，获取数据采集控制单元采集到的热辐射性能检测数据并通过处理软件处理，获得待测样品的法向半球反射率。本发明还提供了一种热辐射性能原位检测方法。本发明能真实的测量空间环境模拟对样品的热辐射性能的影响。

Description

热辐射性能原位检测***及方法
技术领域
本发明涉及热辐射性能测量技术领域，具体地，涉及一种热辐射性能测量的原位检测***及方法。
背景技术
航天用热控产品在空间受到太阳紫外和空间粒子辐照后，其热学性能将产生不同程度的退化，如果性能退化严重，会导致航天器温控失败。因此，需要对热控产品的空间辐照前后的热辐射性能进行检测，通过试验结果的对比分析空间辐射环境对材料性能的影响。
常规的性能测试是进行空间辐射模拟试验后，将样品移出试验设备，放入性能测试设备再进行性能测试。但这种方法改变了样品试验所保持的环境，而且经过非真空环境的转移会造成样品性能的变化。通过对样品性能原位测试，保证样品性能测试的准确性，防止被测样品移出真空环境后的漂白、恢复等问题。
经现有技术检索发现，中国发明专利公开号为CN105548239B，公开了一种热防护性能测试仪，包括机架、设置于机架上的加热装置、位于加热装置上方的隔热防护板、位于隔热防护板上方的样品架板,所述隔热防护板和样品架板可转动或可平移地设置于所述机架上,所述样品架板中心开有样品过火通孔,所述隔热防护板面积大于所述样品架板面积,所述加热装置包括朝向样品过火通孔方向设置的火头,所述隔热防护板内设置有散热装置。所述样品架板上设置有用于压住样品并感测样品温度的绝热压感板,所述隔热防护板上设置有温感部件。本申请结构简单、紧凑,测量数据全面,测量功能多样,测量数据精确,测得数据参考价值高,升温可控性高且快、平稳,能耗低,更节能。该发明无法适用于本发明所要解决的卫星空间样品辐射检测的环境。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种热辐射性能测量的原位检测***及方法。
根据本发明提供的一种热辐射性能原位检测***，包括光源模块、光源标定模块、控制模块、样品室以及数据处理模块；
所述光源模块，提供待测样品进行辐照实验与热辐射性能检测所需的光源；
所述光源标定模块，用于待测样品与参考标准在同等条件下的热辐射性能参数的比对；
所述样品室，包括样品架、运动机构以及检测采集单元，所述样品室对待测样品进行性能测试以及数据采集；
所述控制模块包括运动控制单元与数据采集控制单元，所述运动控制单元能够控制所述运动机构对待测样品进行转移，所述数据采集控制单元控制检测采集单元对待测样品热辐射性能检测的数据进行采集；
所述数据处理模块，获取所述数据采集控制单元采集到的热辐射性能检测数据并通过处理软件处理，获得待测样品的法向半球反射率。
一些实施方式中，所述样品架通过所述运动机构实现待测样品的工位转换，所述工位包括装卸工位、辐照工位以及热辐射性能测量工位，所述样品架还可通过自身旋转实现不同样品的切换。
一些实施方式中，所述运动机构为多轴串联式运动机构，所述运动机构通过直线运动带动样品架在装卸工位与辐照工位之间进行移动变换，通过水平轴旋转带动样品架在辐照工位与热辐射性能测量工位之间进行切换。
一些实施方式中，所述光源标定模块包括漫反射标准参照板和反射镜组件。
一些实施方式中，所述检测采集单元包括积分球探测单元、探测器以及光谱仪，所述积分球探测单元用于对待测样品进行热辐射性能的检测，待测样品与漫反射标准参照板间隔连接于所述积分球探测单元的积分球外，所述探测器与所述光谱仪对待测样品进行热辐射性能测试数据的采集。
一些实施方式中，所述光源模块包括复合光源、透镜组件、调制扇、单色仪以及连接波纹管，所述复合光源发出的测试光经所述透镜组件聚焦，聚焦的光通过所述调制扇的调制后进入所述单色仪，经所述单色仪分光后，其光源经连接波纹管通过光学窗口照射在位于积分球上的待测样品，同时其光源还经反射镜组件通过光学窗口照射在位于积分球上的漫反射标准参照板。
一些实施方式中，所述复合光源为紫外-可见-红外的复合光，所述复合光源的波段为200nm-2800nm。
本发明还提供了一种热辐射性能原位检测方法，采用上述的热辐射性能原位检测***，包括以下步骤：
辐照实验步骤：将待测样品通过所述运动机构从所述装卸工位移动至所述辐照工位，选择入射波段适配的复合光源对待测样品进行辐照实验；
工位切换步骤：辐照实验结束后，通过所述运动机构将待测样品从所述辐照工位移动至热辐射性能测量工位；
热辐射性能测量步骤：所述复合光源发出的测试光经所述透镜组件聚焦，聚焦的光通过所述调制扇的调制后进入单色仪，经单色仪分光后，其光源经连接波纹管通过光学窗口照射到位于积分球上的待测样品，同时其光源还经反射镜组件通过光学窗口照射到位于积分球上的漫反射标准参照板；
数据采集步骤：所述数据采集控制单元通过控制所述检测采集单元实现待测样品热辐射性能检测数据的采集；
数据处理步骤：所述数据处理模块通过处理采集到的待测样品的热辐射性能检测数据，获得待测样品的法向半球反射率。
一些实施方式中，所述运动机构为多轴串联式运动机构，所述多轴串联式运动机构通过直线运动带动样品架在装卸工位与辐照工位之间进行移动变换，通过水平轴旋转带动样品架在辐照工位与热辐射性能测量工位之间的进行切换。
一些实施方式中，所述检测采集单元包括积分球探测单元、探测器以及光谱仪，所述积分球探测单元用于对待测样品进行热辐射性能的检测，待测样品与漫反射标准参照板间隔连接于所述积分球探测单元的积分球外，所述探测器与所述光谱仪对待测样品进行热辐射性能测试数据的采集。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明用于样品在特殊环境(如真空环境、高压环境等)下的热辐射性能原位测量，可自动切换样品的装卸，避免样品在转运过程中发生状态改变，能真实的测量空间环境模拟对样品的热辐射性能的影响。
2、本发明具备材料级、器件级样品的热辐射原位测量功能，具备多样品试验功能，可自动切换样品的装卸。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明***结构示意图；
图2为本发明原为检测流程示意图；
图3为法向半球反射率测量示意图；
图4为多轴串联式运动机构示意图；
图5为原位检测***电学方案示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供了一种热辐射性能原位检测***，包括光源模块、光源标定模块、控制模块、样品室以及数据处理模块；
所述光源模块，提供待测样品进行辐照实验与热辐射性能检测所需的光源，其中，光源模块包括复合光源、透镜组件、调制扇、单色仪以及连接波纹管，优选的，所述光源模块中的光源为紫外-可见-红外的复合光源，其复合光源的波段为200nm-2800nm；
所述光源标定模块，用于待测样品与参考标准在同等条件下的热辐射性能参数的比对，包括漫反射标准参照板和反射镜组件。
所述样品室，包括样品架、运动机构以及检测采集单元，所述样品室对待测样品进行性能测试以及数据采集，其中，
样品架连接有旋转电机，样品架上还设置有样品托盘，通过旋转电机实现自身的旋转，从而可达到切换不同样品的功能，同时样品架连接于运动机构的水平轴上，而运动机构为多轴串联式运动机构，样品架通过所述运动机构实现待测样品的工位转换，其工位包括装卸工位、辐照工位以及热辐射性能测量工位，即：
运动机构通过水平轴的直线运动带动样品架在装卸工位与辐照工位之间进行移动变换，通过水平轴旋转带动样品架在辐照工位与热辐射性能测量工位之间进行切换。
另外，样品室内的检测采集单元包括积分球探测单元、探测器以及光谱仪，所述积分球探测单元用于对待测样品进行热辐射性能的检测，待测样品与漫反射标准参照板间隔连接于所述积分球探测单元的积分球外，待测样品与漫反射标准参照板之间存在一定夹角，其夹角优选为90°，可节约反射镜组件中反射镜的使用量，所述探测器与所述光谱仪对待测样品进行热辐射性能测试数据的采集，其中对待测样品进行热辐射性能检测的过程为：
复合光源发出的测试光经透镜组件聚焦，聚焦的光通过调制扇的调制后进入单色仪，经单色仪分光后，其光源经连接波纹管通过光学窗口照射在位于积分球上的待测样品，同时其光源还经反射镜组件通过光学窗口照射在位于积分球上的漫反射标准参照板，其中，经单色仪分光后的光源，可先到达待测样品后，再通过反射镜组件将光源反射至漫反射标准参照板上，通过探测器与光谱仪分别对参考光路信号产生的光电信号、反射信号产生的光电信号以及积分球收集的样品的漫反射光电信号进行采集处理，得到待测样品散射产生的光电信号。
所述控制模块包括运动控制单元与数据采集控制单元，所述运动控制单元能够控制所述运动机构对待测样品进行转移，所述数据采集控制单元控制检测采集单元对待测样品热辐射性能检测的数据进行采集；
所述数据处理模块，获取所述数据采集控制单元采集到的热辐射性能检测数据并通过处理软件处理，获得待测样品的法向半球反射率。
具体的，通过以下图示进行详细说明：
如图1所示，本实施例提供了一种用于热辐射性能测量的原位检测装置，具备200nm-2800nm波段原位测量功能、多样品试验功能、可自动切换样品的装卸。该装置包括光源、光源定标***、样品室、运动及数据采集控制组件和原位测量控制软件等。
所述光源部分包括紫外-可见-红外复合光源、调制扇组件、单色仪、连接波纹管；
所述光源定标***包括漫反射标准参照板、反射镜组件；
所述样品室包括积分球探测单元、PMT/PbS探测器、光谱仪、样品架、导轨、多轴串联式运动机构；
所述运动及数据采集控制组件包括运动控制组件、数据采集单元、测试环境检测和***稳定性监视采集单元；
所述原位测量控制软件包括原位测量***控制数据处理软件。
如图4所示，多轴串联式运动机构作为样品装卸工位、辐照工位与性能比对测量工位切换的四维真空运动机构，主要由真空用步进电机1、样品架2、滑块3、X方向滑轨4、Y方向滑轨5以及Z方向滑轨6，运动机构采用专用步进电机，可在真空、高温、低温等环境使用。运动机构可根据试验需要实现四维运动，即X、Y方向水平运动以及两个方向旋转运动，此外Z方向高度可手动调节。
如图2-3所示，本发明进行样品的热辐射性能测量时，首先根据试验要求，由紫外-可见-红外复合光源进行入射光波段的选择，多轴串联式的运动机构将样品从装卸工位移动至辐照工位，通过辐照装置对样品进行空间辐照模拟试验。辐照试验后，运动机构将样品从辐照工位移动至热辐射性能测量工位，复合光源发出的测试光经过透镜组件，聚焦的光通过调制扇进行调制，调制后的光线进入单色仪，其光源经连接波纹管通过光学窗口照射在位于积分球上的待测样品，同时其光源还经反射镜组件通过光学窗口照射在位于积分球上的漫反射标准参照板，其中，经单色仪分光后的光源，可先到达待测样品后，再通过反射镜组件将光源反射至漫反射标准参照板上，通过探测器与光谱仪分别对参考光路信号产生的光电信号、反射信号产生的光电信号以及积分球收集的样品的漫反射光电信号进行采集处理，得到待测样品散射产生的光电信号，通过原位测量控制软件进行数据处理，得到样品的法向半球反射率。
如图5所示，原位光学测量***电子学方案示意图，其运行原理与过程简述如下：
***通过电脑终端，控制步进电机驱动和控制单元，经驱动和控制电路，完成复合光源、扫描机构、滤光片切换装置等的位置变化。光源切换电路、探测器扫描电路和样品台转动电路等均由步进电机驱动电路、位置信号采集电路和控制电路组成；
***通过高精度A/D转换单元、转动驱动和控制电路，实现样品架的位置变化；
***共有微弱信号采集处理电路3对，第一对为参考光路信号采集处理单元，采集由参考光路产生的信号，经过放大、处理后形成参考信号；第二路为反射信号产生的光电信号，由探测器产生的光电信号经过放大、采集和处理形成光电信号；第三路接收积分球上的探测器产生的光电信号，由积分球收集样品的信号，经过采集和放大处理，得到待测样品散射产生的光电信号。
实施例2
本实施例还提供了一种热辐射性能测量原位检测方法，采用实施例1所述的热辐射性能测量的原位检测***，包括以下步骤：
辐照实验步骤：将待测样品通过所述运动机构从所述装卸工位移动至所述辐照工位，选择入射波段适配的复合光源对待测样品进行辐照实验；
工位切换步骤：辐照实验结束后，通过所述运动机构将待测样品从所述辐照工位移动至热辐射性能测量工位；
热辐射性能测量步骤：所述复合光源发出的测试光经所述透镜组件聚焦，聚焦的光通过所述调制扇的调制后进入单色仪，经单色仪分光后，其光源经连接波纹管通过光学窗口照射到位于积分球上的待测样品，同时其光源还经反射镜组件通过光学窗口照射到位于积分球上的漫反射标准参照板；
数据采集步骤：所述数据采集控制单元通过控制所述检测采集单元实现待测样品热辐射性能检测数据的采集；
数据处理步骤：所述数据处理模块通过处理采集到的待测样品的热辐射性能检测数据，获得待测样品的法向半球反射率。
本方法的步骤的具体实施阐述如下：
首先根据试验要求，由紫外-可见-红外复合光源进行入射光波段的选择，多轴串联式的运动机构将样品从装卸工位移动至辐照工位，通过辐照装置对样品进行空间辐照模拟试验；
辐照试验后，运动机构将样品从辐照工位移动至热辐射性能测量工位，复合光源发出的测试光经过透镜组件，聚焦的光通过调制扇进行调制，调制后的光线进入单色仪，其光源经连接波纹管通过光学窗口照射在位于积分球上的待测样品，同时其光源还经反射镜组件通过光学窗口照射在位于积分球上的漫反射标准参照板，其中，经单色仪分光后的光源，可先到达待测样品后，再通过反射镜组件将光源反射至漫反射标准参照板上；
进而，通过探测器与光谱仪分别对参考光路信号产生的光电信号、反射信号产生的光电信号以及积分球收集的样品的漫反射光电信号进行采集处理，得到待测样品散射产生的光电信号，通过原位测量控制软件进行数据处理，得到样品的法向半球反射率。
本实施例2公开的方法所使用的为实施例1所述的热辐射性能测量原位检测***，该***的所包含的模块、机构以及运行运力已在实施例1中阐述，在此不再赘述。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种热辐射性能原位检测***，其特征在于，包括光源模块、光源标定模块、控制模块、样品室以及数据处理模块；
所述光源模块，提供待测样品进行辐照实验与热辐射性能检测所需的光源；
所述光源标定模块，用于待测样品与参考标准在同等条件下的热辐射性能参数的比对；
所述样品室，包括样品架、运动机构以及检测采集单元，所述样品室对待测样品进行性能测试以及数据采集；
所述控制模块包括运动控制单元与数据采集控制单元，所述运动控制单元能够控制所述运动机构对待测样品进行转移，所述数据采集控制单元控制检测采集单元对待测样品热辐射性能检测的数据进行采集；
所述数据处理模块，获取所述数据采集控制单元采集到的热辐射性能检测数据并通过处理软件处理，获得待测样品的法向半球反射率。
2.根据权利要求1所述的热辐射性能原位检测***，其特征在于，所述样品架通过所述运动机构实现待测样品的工位转换，所述工位包括装卸工位、辐照工位以及热辐射性能测量工位，所述样品架还可通过自身旋转实现不同样品的切换。
3.根据权利要求2所述的热辐射性能原位检测***，其特征在于，所述运动机构为多轴串联式运动机构，所述运动机构通过直线运动带动样品架在装卸工位与辐照工位之间进行移动变换，通过水平轴旋转带动样品架在辐照工位与热辐射性能测量工位之间进行切换。
4.根据权利要求1所述的热辐射性能原位检测***，其特征在于，所述光源标定模块包括漫反射标准参照板和反射镜组件。
5.根据权利要求4所述的热辐射性能原位检测***，其特征在于，所述检测采集单元包括积分球探测单元、探测器以及光谱仪，所述积分球探测单元用于对待测样品进行热辐射性能的检测，待测样品与漫反射标准参照板间隔连接于所述积分球探测单元的积分球外，所述探测器与所述光谱仪对待测样品进行热辐射性能测试数据的采集。
6.根据权利要求5所述的热辐射性能原位检测***，其特征在于，所述光源模块包括复合光源、透镜组件、调制扇、单色仪以及连接波纹管，所述复合光源发出的测试光经所述透镜组件聚焦，聚焦的光通过所述调制扇的调制后进入所述单色仪，经所述单色仪分光后，其光源经连接波纹管通过光学窗口照射在位于积分球上的待测样品，同时其光源还经反射镜组件通过光学窗口照射在位于积分球上的漫反射标准参照板。
7.根据权利要求6所述的热辐射性能原位检测***，其特征在于，所述复合光源为紫外-可见-红外的复合光，所述复合光源的波段为200nm-2800nm。
8.一种热辐射性能测量原位检测方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任一所述的热辐射性能测量的原位检测***，包括以下步骤：
辐照实验步骤：将待测样品通过所述运动机构从所述装卸工位移动至所述辐照工位，选择入射波段适配的复合光源对待测样品进行辐照实验；
工位切换步骤：辐照实验结束后，通过所述运动机构将待测样品从所述辐照工位移动至热辐射性能测量工位；
热辐射性能测量步骤：所述复合光源发出的测试光经所述透镜组件聚焦，聚焦的光通过所述调制扇的调制后进入单色仪，经单色仪分光后，其光源经连接波纹管通过光学窗口照射到位于积分球上的待测样品，同时其光源还经反射镜组件通过光学窗口照射到位于积分球上的漫反射标准参照板；
数据采集步骤：所述数据采集控制单元通过控制所述检测采集单元实现待测样品热辐射性能检测数据的采集；
数据处理步骤：所述数据处理模块通过处理采集到的待测样品的热辐射性能检测数据，获得待测样品的法向半球反射率。
9.根据权利要求8所述的热辐射性能测量原位检测方法，其特征在于，所述运动机构为多轴串联式运动机构，所述多轴串联式运动机构通过直线运动带动样品架在装卸工位与辐照工位之间进行移动变换，通过水平轴旋转带动样品架在辐照工位与热辐射性能测量工位之间的进行切换。
10.根据权利要求8所述的热辐射性能测量原位检测方法，其特征在于，所述检测采集单元包括积分球探测单元、探测器以及光谱仪，所述积分球探测单元用于对待测样品进行热辐射性能的检测，待测样品与漫反射标准参照板间隔连接于所述积分球探测单元的积分球外，所述探测器与所述光谱仪对待测样品进行热辐射性能测试数据的采集。
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