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高溫動(dòng)態(tài)加熱材料輻射率測(cè)量：傅里葉紅外FTIR光譜儀、黑體爐
本文提出了一種新型的高溫動(dòng)態(tài)加熱條件下材料輻射率的同時(shí)測(cè)量技術(shù)，并重點(diǎn)介紹了測(cè)試方法和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，特別是我們公司提供的黑體爐設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)中的重要作用。
1. 測(cè)試方法概述
輻射率是衡量材料熱輻射能力的重要參數(shù)，是材料發(fā)射的輻射能量與理想黑體在相同溫度下發(fā)射的輻射能量之比。傳統(tǒng)的輻射率測(cè)量方法大多應(yīng)用于靜態(tài)加熱條件下，但在飛行器的動(dòng)態(tài)熱負(fù)荷條件下，這種方法往往無法滿足高精度測(cè)量的要求。因此，本文提出了一種基于傅里葉變換紅外（FTIR）光譜儀的同步測(cè)量技術(shù)，用于高溫動(dòng)態(tài)加熱條件下同時(shí)測(cè)量材料的輻射率和表面溫度。
2. 測(cè)量技術(shù)的創(chuàng)新
在本研究中，輻射率的測(cè)量采用了FTIR光譜儀來實(shí)時(shí)獲取樣品的輻射光譜。為了應(yīng)對(duì)高溫動(dòng)態(tài)加熱過程中溫度變化快速且劇烈的挑戰(zhàn)，研究人員通過以下幾個(gè)技術(shù)手段克服了傳統(tǒng)方法中的問題：
同步測(cè)量：采用FTIR光譜儀的時(shí)序光譜數(shù)據(jù)，通過實(shí)時(shí)記錄樣品輻射的光譜信號(hào)，結(jié)合表面溫度的計(jì)算，能夠?qū)崿F(xiàn)輻射率和溫度的同步測(cè)量。
非線性平滑技術(shù)：由于FTIR光譜儀的高分辨率和靈敏度，信號(hào)可能會(huì)受到測(cè)量噪聲的影響。為了減少這些噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，研究中引入了非線性平滑算法，對(duì)信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化處理，從而提高測(cè)量精度。
反射率與透射率間接測(cè)量：在一些情況下，直接測(cè)量表面溫度可能困難，因此本研究通過間接方法利用反射率和透射率計(jì)算輻射率，并采用傅里葉變換紅外光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)加熱條件下的輻射率測(cè)量。
3. 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與裝置
本研究采用了先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和裝置，以確保高溫動(dòng)態(tài)加熱條件下的精確測(cè)量。實(shí)驗(yàn)裝置的核心包括以下幾個(gè)主要組成部分：
3.1 高頻感應(yīng)加熱器
高頻感應(yīng)加熱器是實(shí)驗(yàn)中用于加熱樣品的主要設(shè)備，其最大功率為25KW，工作頻率可達(dá)30KHz。該加熱器能夠快速且均勻地加熱樣品表面，使其達(dá)到預(yù)定的高溫狀態(tài)。加熱器的功率可以根據(jù)樣品溫度的升高自動(dòng)調(diào)整，確保樣品表面溫度在加熱過程中的穩(wěn)定性。
3.2 FTIR光譜儀
FTIR光譜儀是本實(shí)驗(yàn)中的核心測(cè)量工具。它用于采集樣品在不同溫度下的輻射光譜數(shù)據(jù)，并通過這些光譜數(shù)據(jù)計(jì)算材料的輻射率。FTIR光譜儀具有高分辨率和高信噪比，能夠精確測(cè)量樣品表面發(fā)射的紅外輻射。該儀器能夠?qū)崟r(shí)記錄輻射光譜，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理提供可靠依據(jù)。
3.3上海明策電子的黑體爐設(shè)備
在本研究中，我們公司的黑體爐設(shè)備發(fā)揮了重要作用。黑體爐用于對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，并為FTIR光譜儀提供準(zhǔn)確的輻射源溫度。我們的黑體爐采用先進(jìn)的控制技術(shù)，具有穩(wěn)定的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)和高效的輻射發(fā)射特性，能夠在高溫下提供精準(zhǔn)、均勻的輻射輸出，確保了測(cè)量結(jié)果的高精度。通過與樣品的輻射信號(hào)進(jìn)行比較，F(xiàn)TIR光譜儀可以完成精準(zhǔn)的輻射率測(cè)量。我們的黑體爐設(shè)備在熱輻射研究和材料測(cè)試領(lǐng)域中具有廣泛應(yīng)用。
3.4 光學(xué)測(cè)量路徑
光學(xué)測(cè)量路徑由多個(gè)光學(xué)元件組成，包括孔徑光闌、平面鍍金鏡和凹面鏡等。光學(xué)路徑的作用是將樣品發(fā)射的輻射引導(dǎo)到FTIR光譜儀中進(jìn)行分析。該測(cè)量路徑能夠確保輻射信號(hào)的準(zhǔn)確傳輸，并最大限度地減少外部環(huán)境對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
3.5 溫度控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)
溫度控制系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)樣品的表面溫度。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)則對(duì)FTIR光譜儀采集的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，計(jì)算出輻射率和溫度。通過引入非線性平滑技術(shù)和多波長法，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)能夠有效消除信號(hào)中的噪聲，確保最終測(cè)量結(jié)果的精確性。
4. 測(cè)量結(jié)果與驗(yàn)證
為了驗(yàn)證所提出的測(cè)量方法，本文對(duì)鋼材和石墨兩種材料進(jìn)行了高溫動(dòng)態(tài)加熱條件下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。通過對(duì)樣品的表面輻射光譜數(shù)據(jù)的分析，研究人員成功計(jì)算出材料在不同溫度下的輻射率，并與傳統(tǒng)測(cè)量方法進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，在較高溫度范圍內(nèi)，采用該方法測(cè)得的輻射率數(shù)據(jù)與其他研究人員的結(jié)果一致，且測(cè)量誤差較小，具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。
本文提出的基于FTIR光譜儀的高溫動(dòng)態(tài)加熱條件下材料輻射率同時(shí)測(cè)量技術(shù)，通過精確的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和優(yōu)化的測(cè)試方法，成功解決了傳統(tǒng)靜態(tài)加熱條件下無法應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)。這一技術(shù)不僅能夠在快速變化的動(dòng)態(tài)加熱環(huán)境中測(cè)量輻射率，還能為高超音速飛行器的熱防護(hù)材料的研究提供重要支持。通過對(duì)鋼材和石墨等材料的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的潛力。
在此過程中，我們公司提供的黑體爐設(shè)備為實(shí)驗(yàn)提供了強(qiáng)有力的支持，確保了高精度的測(cè)量和數(shù)據(jù)的可靠性。未來，隨著該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，預(yù)計(jì)能夠在更多超高溫條件下進(jìn)行精確的材料性能測(cè)試，尤其是在高頻等離子體風(fēng)洞等高溫動(dòng)態(tài)加熱環(huán)境中。
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