为解决中高温条件下材料发射率的测量问题,提出了一种基于半椭球反射镜的高温材料光谱发射率测量技术。该技术使用800 mm口径半椭球反射镜大范围聚焦信号光,利用3种离轴抛物镜来切换不同测试视场,并利用高功率激光器对样品进行加热。仿真研究了所设计系统的测量误差,结果表明,反射率测量偏差最大为0.035,透射率测量偏差最大为0.031。构建了基于800 mm口径半椭球镜的发射率测量系统,测算了某合金材料和某半透明材料的反射率、透射率和发射率,表明所设计的系统可实现常温到中高温(300~1200 K)、多视场(30°、60°、90°)、宽谱段(2~14 μm)的测量。

针对煤粉燃烧辐射光谱问题, 利用光纤光谱仪对煤粉平面火焰炉实验装置煤粉燃烧火焰辐射光谱进行了测量, 详细分析了煤粉辐射光谱特征, 并基于普朗克辐射传热定律, 通过对光谱仪波长响应特性的标定, 得到火焰绝对辐射强度随波长的分布情况, 进而利用最小二乘法获得火焰温度与辐射率参数, 由此提出基于煤粉燃烧火焰辐射光谱测量的火焰参数测量方法。 利用该方法对不同燃烧条件下煤粉燃烧参数进行测量, 开展了不同燃烧参数下煤粉火焰辐射光谱实验研究, 研究结果表明: 煤粉燃烧火焰辐射在200～1 100 nm波段具有较强且连续的光谱特征, 基于普朗克辐射定律与最小二乘法可实现煤粉燃烧火焰温度与辐射率的测量; 煤粉燃烧火焰辐射光谱在590, 766, 769和779 nm附近可见明显的Na和K等碱金属痕量元素原子光谱发射谱线, 并且这些原子谱线的出现与火焰温度有关; 随着煤粉浓度的提高, 虽然燃烧温度变化不大, 但由于火焰辐射率的增加, 造成辐射光谱强度的大幅提升。 这对锅炉煤粉燃烧优化具有重要参考价值。

针对探测器光谱响应度温漂现象对红外光谱发射率测量系统重复性的影响, 分析探测器温度与输出电压之间的变化规律, 提出了基于多项式拟合的光谱响应度温漂修正方法。 研究探测器自身温度与其光谱响应度的函数关系, 对探测器光谱响应度随温度变化的曲线进行数据拟合, 得到探测器温度-光谱响应度的拟合方程, 计算光谱响应度的温漂修正系数, 修正探测器的输出电压, 消除光谱响应度温漂现象对探测器输出电压造成的影响。 研制光谱响应度温漂修正装置, 测得探测器光谱响度的温漂曲线, 对比指数拟合曲线和多项式拟合曲线与测量曲线的吻合度, 结果表明6阶多项式拟合曲线的一致性较好, 提高了基于积分球反射计的光谱发射率测量系统的重复性。

研究了在-60～50 ℃条件下准确测量材料法向发射率的方法。基于发射率定义建立了材料法向发射率测量模型。为屏蔽环境杂散辐射与大气吸收的影响, 利用真空液氮背景通道搭建了低温状态下材料发射率测量装置。测量了氧化铜与高发射率陶瓷两种样品的法向发射率随温度、波长的变化情况。结果表明: 两种样品的法向光谱发射率均随波长增加而降低; 随温度的升高, 氧化铜样品法向积分发射率稳定为0.850±0.012, 陶瓷样品的法向积分发射率降低了0.124。最后, 实现了低温状态下红外光谱辐射的高精度采集, 对低温状态下材料法向光谱发射率测量结果的不确定度进行了评定, 得到的结果显示其相对扩展不确定度小于6.0%。