高溫法向光譜發(fā)射率測(cè)量裝置：超高溫黑體+傅里葉光譜儀(FTIR)

法向光譜發(fā)射率作為材料熱輻射特性的重要參數(shù)，在優(yōu)化高溫材料的熱處理工藝和提高能量利用效率方面發(fā)揮著重要作用。然而，目前大多數(shù)研究中測(cè)量溫度相對(duì)較低或范圍較窄，且主要集中于穩(wěn)態(tài)溫度測(cè)量，使得航空和工業(yè)領(lǐng)域?qū)挏囟确秶鷥?nèi)光譜發(fā)射率研究的需求難以滿足。

為解決這一難題，一種寬溫度范圍的法向光譜發(fā)射率快速測(cè)量裝置被提出。該裝置采用超高頻電磁感應(yīng)加熱器對(duì)樣品進(jìn)行動(dòng)態(tài)加熱，并結(jié)合可調(diào)節(jié)檢測(cè)區(qū)域的光學(xué)系統(tǒng)，以光纖光譜儀快速響應(yīng)的特性，迅速測(cè)量所需溫度范圍內(nèi)的輻射信號(hào)。

一、加熱系統(tǒng)

加熱系統(tǒng)由以下關(guān)鍵部件組成：

• 電磁感應(yīng)加熱器

• 感應(yīng)線圈

• 樣品腔室

• 雙層結(jié)構(gòu)，配合水冷系統(tǒng)，以穩(wěn)定環(huán)境溫度并減少背景輻射干擾。

• 內(nèi)表面涂覆發(fā)射率接近1的涂層，減少腔室內(nèi)部多次反射。

• 通過(guò)真空泵與氬氣瓶配合提供穩(wěn)定氬氣保護(hù)環(huán)境，防止樣品氧化。

二、檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)包含以下關(guān)鍵部分：

• 光纖光譜儀：傅里葉光譜儀(FTIR)

• 光學(xué)系統(tǒng)：

• 可調(diào)節(jié)檢測(cè)區(qū)域的光學(xué)系統(tǒng)，包括光闌、準(zhǔn)直器和光纖，用于調(diào)節(jié)和收集輻射信號(hào)。

• 光闌孔徑在實(shí)驗(yàn)中根據(jù)溫度變化調(diào)整，低溫（低于1723 K）時(shí)設(shè)為4 mm，高溫時(shí)設(shè)為2 mm，以增強(qiáng)信噪比并避免信號(hào)飽和。

• 測(cè)溫儀器：雙色高溫計(jì)，響應(yīng)時(shí)間為10 ms。

三、標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源

• 使用LumaSense M390超高溫黑體爐作為標(biāo)準(zhǔn)輻射源：

• 溫度范圍873~3273 K，有效發(fā)射率約為0.999。

• 內(nèi)置光纖測(cè)溫儀，利用PID控制器精準(zhǔn)調(diào)節(jié)并穩(wěn)定黑體腔溫度，確保實(shí)驗(yàn)測(cè)量條件一致。

  
  

四、數(shù)據(jù)采集與控制

• G語(yǔ)言開發(fā)控制程序，實(shí)現(xiàn)輻射信號(hào)和溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)在線采集，采集周期可達(dá)1秒一次。

  
  

實(shí)驗(yàn)中，該測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)多溫度標(biāo)定法進(jìn)行校準(zhǔn)，并應(yīng)用多光譜法對(duì)樣品溫度進(jìn)行修正。同時(shí)，利用有限元方法優(yōu)化感應(yīng)加熱器結(jié)構(gòu)，分析并確保樣品表面溫度的均勻性。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證選用了碳化硅、石墨和鎢等高溫導(dǎo)電材料，測(cè)量溫度范圍從873 K至2473 K，波長(zhǎng)范圍為1000 nm至1600 nm。

該快速測(cè)量裝置不僅具備寬溫范圍、高測(cè)量精度和快速響應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，還顯著減小了高溫實(shí)驗(yàn)設(shè)備的體積，為高溫導(dǎo)電材料光譜發(fā)射率的深入研究提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。在未來(lái)的研究中，該裝置還可用于探索不同金屬及其非金屬高溫涂層材料的熱輻射特性，進(jìn)一步推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步與應(yīng)用發(fā)展。