基于X點(diǎn)發(fā)射率原理的金屬高溫輻射測量系統(tǒng)

隨著先進(jìn)材料、高水平制造和嚴(yán)苛熱環(huán)境應(yīng)用的快速發(fā)展，傳統(tǒng)輻射測溫手段在高溫、非接觸、低誤差需求面前逐漸顯露瓶頸。為此，我們團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了一套理論建模、電磁感應(yīng)加熱、黑體爐（作為校準(zhǔn)源）與光譜探測的高溫金屬輻射測量系統(tǒng)，將X點(diǎn)發(fā)射率原理從理論驗(yàn)證推向工程應(yīng)用。

一、研發(fā)背景：挑戰(zhàn)高溫紅外測溫精度極限

在實(shí)際測溫過程中，金屬材料表面的發(fā)射率常隨溫度、氧化狀態(tài)及表面粗糙度發(fā)生變化，成為輻射溫度誤差的主要來源。X點(diǎn)發(fā)射率（X-point emissivity）指在特定波長處，金屬材料不同溫度下的發(fā)射率曲線交匯于一點(diǎn)，其發(fā)射率對(duì)溫度變化不敏感，天然具備溫度獨(dú)立性，是解決非接觸測溫中“發(fā)射率不確定性"的理想突破口。

然而，以往該原理僅停留在理論或?qū)嶒?yàn)室初級(jí)驗(yàn)證階段，缺乏完整的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與測量流程。我們實(shí)現(xiàn)了理論建?！獢?shù)值仿真—實(shí)驗(yàn)測量—溫度反演的一體化系統(tǒng)，真正讓X點(diǎn)測溫成為工程現(xiàn)實(shí)。

二、系統(tǒng)構(gòu)成：集成式模塊化設(shè)計(jì)，精準(zhǔn)而可靠

本系統(tǒng)由以下四大核心子系統(tǒng)組成，協(xié)同工作以實(shí)現(xiàn)高溫下金屬X點(diǎn)發(fā)射率的精準(zhǔn)測量：

1. 電磁懸浮冷坩堝加熱裝置

• 采用高頻感應(yīng)加熱，實(shí)現(xiàn)樣品非接觸式懸浮與高溫加熱（最高溫度2373 K）；

• 冷坩堝為12段式純銅結(jié)構(gòu)，直徑50 mm，具備水冷通道，保障熱場穩(wěn)定；

• 保證樣品純凈、不受支撐污染，同時(shí)提升熱均勻性和測溫可信度。

2. 高精度雙黑體校準(zhǔn)系統(tǒng)

• 配備發(fā)射率＞0.995的超高溫黑體（Lumasense M390超高溫黑體爐）；

  
  

• 利用雙溫黑體法，推導(dǎo)光譜儀響應(yīng)函數(shù)和背景輻射，確保測量信號(hào)可溯源、標(biāo)準(zhǔn)化。

3. 光學(xué)信號(hào)采集系統(tǒng)

• 法線方向設(shè)有CaF?窗口采集主發(fā)射信號(hào)，側(cè)向設(shè)置45°窗口供比色高溫計(jì)觀測；

• 信號(hào)經(jīng)分光鏡分為兩路，分別進(jìn)入紅外熱成像儀（lumasense MCS640）與光纖光譜儀，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)熱場成像與高光譜采集；

• 數(shù)據(jù)經(jīng)Wien公式反演結(jié)合X點(diǎn)波長，獲得發(fā)射率獨(dú)立的高精度溫度測量值。

4. 數(shù)值仿真與理論建模

• 基于模型，模擬電子-聲子散射機(jī)制下的發(fā)射率行為；

• 使用COMSOL求解Maxwell方程，模擬不同角度與波長下的發(fā)射率分布；

• 對(duì)比仿真與實(shí)測數(shù)據(jù)，X點(diǎn)位置誤差小于0.01，有效驗(yàn)證模型可靠性。

三、樣品適配性：嚴(yán)謹(jǐn)?shù)某叽缗c狀態(tài)控制

系統(tǒng)適用于高純金屬塊體、粉末壓塊或熔樣體的X點(diǎn)測量。為保證電磁加熱效率、熱場均勻性與光學(xué)采集準(zhǔn)確性，建議樣品具備以下規(guī)格：

樣品越規(guī)或表面狀態(tài)不穩(wěn)定將引入熱場偏差或光譜噪聲，從而影響X點(diǎn)穩(wěn)定性與溫度反演結(jié)果。

四、實(shí)驗(yàn)性能評(píng)估：真實(shí)數(shù)據(jù)驗(yàn)證系統(tǒng)先進(jìn)性

以鎢樣品為例，在1473–2273 K溫度范圍內(nèi)，實(shí)測X點(diǎn)波長為1.36 μm，發(fā)射率為0.282，表現(xiàn)出高度的溫度獨(dú)立性。通過與比色高溫計(jì)對(duì)比，基于X點(diǎn)計(jì)算的溫度誤差僅為±6 K，誤差水平優(yōu)于傳統(tǒng)方式0.3%，并具備更好的重復(fù)性和長期穩(wěn)定性。

此外，系統(tǒng)測量不確定度控制在2.05%以內(nèi)，主誤差來源為紅外熱成像儀（lumasense MCS640）測溫漂移與光譜SNR下降，表明系統(tǒng)具備良好穩(wěn)定性。

五、應(yīng)用前景：科研與工程并重的高價(jià)值平臺(tái)

? 科研方向

• 材料熱輻射行為研究與熱物性數(shù)據(jù)庫構(gòu)建；

• 熱障涂層、異質(zhì)界面、超材料輻射調(diào)控研究；

• 非平衡熱輸運(yùn)機(jī)制探測。

? 工業(yè)應(yīng)用

• 航空發(fā)動(dòng)機(jī)、金屬熔煉、半導(dǎo)體加熱平臺(tái)溫度標(biāo)定；

• 高溫工藝流程優(yōu)化與熱場反饋閉環(huán)控制；

• 新材料熱穩(wěn)定性與極限承熱測試。