高溫法向光譜發射率測量裝置：超高溫黑體+傅里葉光譜儀(FTIR)

法向光譜發射率作為材料熱輻射特性的重要參數，在優化高溫材料的熱處理工藝和提高能量利用效率方面發揮著重要作用。然而，目前大多數研究中測量溫度相對較低或范圍較窄，且主要集中于穩態溫度測量，使得航空和工業領域對寬溫度范圍內光譜發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射率快速測量裝置被提出。該裝置采用超高頻電磁感應加熱器對樣品進行動態加熱，并結合可調節檢測區域的光學系統，以光纖光譜儀快速響應的特性，迅速測量所需溫度范圍內的輻射信號。

一、加熱系統

加熱系統由以下關鍵部件組成：

• 電磁感應加熱器

• 感應線圈

• 樣品腔室

• 雙層結構，配合水冷系統，以穩定環境溫度并減少背景輻射干擾。

• 內表面涂覆發射率接近1的涂層，減少腔室內部多次反射。

• 通過真空泵與氬氣瓶配合提供穩定氬氣保護環境，防止樣品氧化。

二、檢測系統

檢測系統包含以下關鍵部分：

• 光纖光譜儀：傅里葉光譜儀(FTIR)

• 光學系統：

• 可調節檢測區域的光學系統，包括光闌、準直器和光纖，用于調節和收集輻射信號。

• 光闌孔徑在實驗中根據溫度變化調整，低溫（低于1723 K）時設為4 mm，高溫時設為2 mm，以增強信噪比并避免信號飽和。

• 測溫儀器：雙色高溫計，響應時間為10 ms。

三、標準黑體輻射源

• 使用LumaSense M390超高溫黑體爐作為標準輻射源：

• 溫度范圍873~3273 K，有效發射率約為0.999。

• 內置光纖測溫儀，利用PID控制器精準調節并穩定黑體腔溫度，確保實驗測量條件一致。

  
  

四、數據采集與控制

• G語言開發控制程序，實現輻射信號和溫度數據的實時在線采集，采集周期可達1秒一次。

  
  

實驗中，該測量系統通過多溫度標定法進行校準，并應用多光譜法對樣品溫度進行修正。同時，利用有限元方法優化感應加熱器結構，分析并確保樣品表面溫度的均勻性。實驗驗證選用了碳化硅、石墨和鎢等高溫導電材料，測量溫度范圍從873 K至2473 K，波長范圍為1000 nm至1600 nm。

該快速測量裝置不僅具備寬溫范圍、高測量精度和快速響應的優勢，還顯著減小了高溫實驗設備的體積，為高溫導電材料光譜發射率的深入研究提供了強有力的技術支撐。在未來的研究中，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，進一步推動相關領域的技術進步與應用發展。