近日，航空動力研究所施圣賢教授聯(lián)合中國航發(fā)湖南動力機械研究所曾飛研究員、香港城市大學(xué)蔡定平教授，提出了一種基于色散超構(gòu)透鏡的光場高光譜輻射測溫技術(shù)（DMT），為高溫非接觸微型測溫儀提供了創(chuàng)新路徑。研究成果“Dispersive Meta-lens Thermometry for High-temperature Measurements”發(fā)表在Nature Communications上。博士生何鈺倫、碩士生黃明睿為論文共同第一作者，施圣賢教授、齊飛教授、曾飛研究員、蔡定平教授等擔(dān)任共同作者。
基于色散超構(gòu)透鏡的光場高光譜輻射測溫原理示意圖
高溫測量在熱能系統(tǒng)性能評估與材料安全分析中具有重要意義，尤其在燃氣輪機和航空發(fā)動機等先進動力裝備中，其關(guān)鍵部件長期承受極端熱負荷，高精度高溫測量是開展葉片冷卻效率和工作壽命精準評估的前提條件。例如，三菱J級燃氣輪機透平進口溫度高達1800K，超過高溫合金熔點；航空發(fā)動機渦輪進口溫度甚至逼近2400K，以滿足更高功重比需求。輻射測溫法因其非侵入式特點成為高溫測量的理想選擇。在多光譜輻射測溫中，采集和分離寬光譜的輻射對于減輕背景輻射和未知發(fā)射率的影響至關(guān)重要，但基于傳統(tǒng)厚透鏡成像的技術(shù)路線，光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大等問題使其難以應(yīng)用于燃氣輪機和航空發(fā)動機等受限空間。而超薄、輕量化的超構(gòu)透鏡通過對納米結(jié)構(gòu)的精確設(shè)計，在微觀尺度上調(diào)控波前，從而分離出寬光譜中的熱輻射信息，是一種更具潛力的解決方案。
超透鏡整體及掃描電鏡圖
不同方法溫度重構(gòu)結(jié)果
研究團隊提出色散超構(gòu)透鏡測溫技術(shù)，利用超構(gòu)透鏡在微觀尺度上調(diào)控光場，將熱輻射信號分離為寬譜成分，并將高光譜信息編碼為壓縮色散圖像。通過結(jié)合傳統(tǒng)凸優(yōu)化方法與深度學(xué)習(xí)方法，實現(xiàn)從單張圖像中重建至少21個光譜通道的溫度信息。該技術(shù)在1673K~2973K范圍內(nèi)的測溫誤差低于0.32%，相較于傳統(tǒng)微透鏡陣列光場多光譜方法提升約6倍。
火焰沖擊平板實驗系統(tǒng)
火焰沖擊平板實驗系統(tǒng)與測量結(jié)果
為驗證DMT系統(tǒng)對不同發(fā)射率材料及高溫燃氣干擾下的測溫精度，團隊設(shè)計了火焰沖擊平板實驗，選用氧化鋁、氧化鋯和碳化硅三種高溫陶瓷材料，覆蓋0.2至0.9的發(fā)射率范圍。同時，采用Hencken燃燒器出口的穩(wěn)態(tài)氫氣射流火焰作為熱源，DMT系統(tǒng)成功捕捉到平板表面的二維溫度梯度分布，與熱電偶測量結(jié)果相比誤差普遍低于2%，展現(xiàn)出良好的魯棒性與測量精度。
該研究不僅展示了超構(gòu)透鏡在高溫測量中的重要價值，也為微型化、高集成度輻射測溫儀研究奠定了基礎(chǔ)，并有望應(yīng)用于航空發(fā)動機/燃氣輪機葉片及火焰筒等高溫部件的溫度監(jiān)測和燃燒診斷。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國香港特別行政區(qū)大學(xué)教育資助委員會基金等項目的支持。
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