一种真空低温条件下应用的高精度面源黑体辐射源装置

摘要

本发明涉及红外辐射测量与校准技术领域，尤其涉及一种能够在真空低温条件下应用的高精度面源黑体辐射源装置，主要包括：黑体辐射源主体模块、真空舱、舱内控制电缆、穿墙航插、舱外控制电缆、制冷铜辫和控制器模块，所述黑体辐射源主体模块放置在所述真空舱内，所述黑体辐射源主体模块通过制冷铜辫与所述真空舱的内壁相连接，所述黑体辐射源主体模块依次通过所述舱内控制电缆、穿墙航插、舱外控制电缆与所述控制器模块相连。本发明的有益效果为：有效解决了现有技术无法同时满足有效发射率、温度均匀性、温度范围宽的问题，为红外探测设备的标定和测试以及建立真空环境下低温目标性能测试系统提供了应用基础。

说明书

技术领域

本发明涉及红外辐射测量与校准技术领域，尤其涉及一种能够在真空低温条件下应用的高精度面源黑体辐射源装置。

背景技术

目前军用红外成像导引头、红外热像仪、成像光谱仪、红外相机等红外成像载荷应用越来越多，相应的对辐射量值定标设备的需求也越来越多，同时对标定设备的性能指标的要求也越来越高。黑体作为成像光谱仪等红外成像设备的定标及校准的标准设备，是红外定标及校准的关键部件，因此对用作定标及校准的面源黑体的各项性能指标也相应的提出了更高的要求。对于面源黑体的需求向高发射率、高控温精度、高温度均匀性、宽温度范围、智能化、便捷性的方向发展。

红外成像器的发展对于面源黑体发射率、温度均匀性、温度范围等性能指标有了更高的需求。黑体辐射源的发射率是其主要指标之一，一般地，与理想黑体相比，定标黑体的发射率越接近于1，黑体的辐射性能越完备，用于测试校准时，校准的准确度和精度越高。黑体辐射源温度均匀性也是决定其性能优劣的因素之一，理想黑体的光谱辐射功率是符合普朗克定律的，若实际黑体温度分布不均匀程度过大，则辐射出来的能量是黑体表面不同温度下的混合辐射，不符合普朗克定律，从而使之无法准确标定红外成像器。此外，目前对于红外成像器的测温范围的要求也在逐步扩展，这就对于实验室条件下使用的标定设备面源黑体的温度范围也提出了相应的扩展需求，单台定标设备所覆盖的温度范围越宽，红外成像器的标定曲线便能够在更宽范围内得到较好的拟合。

目前对用于气象卫星红外载荷标定的标准面源黑体辐射源的发射率的要求已达到0.99以上，对辐射口径在100mm以上的面源黑体的温度均匀性的要求优于±0.1K，对黑体温度范围的要求也已扩展为-100℃到100℃。

目前国内的一些计量机构在在黑体辐射源方面进行了大量研究，并形成了相应设备，但是这些黑体辐射源设备无法同时满足有效发射率、温度均匀性、温度范围宽这几项指标要求。目前国内尚且没有同时满足以上几项指标要求的用于建立真空环境下的低温目标性能测试系统的高精度标准面源黑体辐射源。

为了解决上述问题，本发明提供一种真空低温条件下应用的高精度面源黑体辐射源装置，用于建立真空环境下的高精度低温目标性能测试系统，具有广泛的应用前景。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种真空低温条件下应用的高精度面源黑体辐射源装置，有效解决了现有技术无法同时满足有效发射率、温度均匀性、温度范围宽的问题，为红外探测设备的标定和测试以及建立真空环境下低温目标性能测试系统提供了应用基础。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种真空低温条件下应用的高精度面源黑体辐射源装置，主要包括：黑体辐射源主体模块、真空舱、舱内控制电缆、穿墙航插、舱外控制电缆、制冷铜辫和控制器模块，所述黑体辐射源主体模块放置在所述真空舱内，所述黑体辐射源主体模块通过制冷铜辫与所述真空舱的内壁相连接，所述黑体辐射源主体模块依次通过所述舱内控制电缆、穿墙航插、舱外控制电缆与所述控制器模块相连；所述黑体辐射源主体模块为圆柱形空腔结构。

将黑体辐射源主体模块通过制冷铜辫与真空舱相连，有利于黑体辐射源主体模块的可持续降温，相当于为黑体辐射源装置提供了稳定的制冷功率，可单独控制加热片的加热功率的大小，以实现对黑体温度的精确控制。

进一步的，所述黑体辐射源主体模块通过4～8条制冷铜辫与真空舱的内壁相连接。

进一步的，所述舱内控制电缆采用镀银多股铜线制作，并在镀银多股铜线外端使用聚四氟带将其扎成一束。

舱内控制电缆用能耐低温环境的镀银多股铜线制作，可降低电缆的真空放气率，同时保证舱内部分的控制电缆不会产生污染；电缆上的航插头与真空舱法兰上的航插座型号需进行匹配选用。

进一步的，所述黑体辐射源主体模块主要包括底部支撑板、辐射板、主加热片、上盖板、外罩、热平衡罩、导热固定板、辅助加热片、隔热板、热平衡板、铜辫安装板；所述热平衡板位于所述底部支撑板的上方，所述辐射板位于所述热平衡板的上方，所述主加热片位于所述辐射板与所述热平衡板之间，所述热平衡罩通过所述隔热板与所述辐射板相连，在所述热平衡罩外侧周向布置所述辅助加热片，在所述辅助加热片外侧安装所述导热固定板；所述导热固定板外固定有所述外罩，在所述外罩的上端安装有上盖板。

在热平衡罩和辐射板之间安装隔热板，有利于提高辐射面的温度均匀性。

进一步的，所述热平衡罩主体结构选用硬铝材料加工而成，所述热平衡罩的上端出口处设有10～20°坡角，所述热平衡罩的内壁喷涂有高发射率黑漆。

在热平衡罩的上端出口处设有坡角，能够更好的产生黑体效应，提高面源黑体辐射源装置的发射率；在热平衡罩内壁喷涂高发射率黑漆，能够形成一定的腔体效应，将黑体的发射率提高到0.99以上。

进一步的，所述辐射板采用紫铜作为基体材料，表面加工成微锥结构，在所述微锥表面喷涂高发射率黑漆。

将辐射板表面加工成微锥结构，能够在一定程度上提高辐射板的发射率；微锥表面喷涂高发射率黑漆，能够将辐射板的发射率提高到0.97以上。

进一步的，在所述主加热片和辐射板两者之间布置0.5～1mm厚的导热碳膜，以确保辐射板受热均匀。

由于主加热片和辐射板表面不可避免的存在一定的不平整性，因此为了使两者在整个接触面上均匀的接触，在两者之间布置导热性能良好的柔软的导热碳膜，以确保辐射板受热均匀；导热碳膜的厚度太薄，会造成主加热片和辐射板之间接触不好，对辐射板受热均匀性造成一定的影响；导热碳膜的厚度太厚，主加热片的功率需要加大，对加热效率造成因影响。

进一步的，所述控制器模块主要包括机箱、控温仪、电源开关、电源接口、黑体控制航插接口和温度均匀性检测航插接口，所述机箱的前面板安装有控温仪表和电源开关，后面板安装有电源标准接口、黑体控制航插接口及温度均匀性检测航插接口。

进一步的，所述控温仪温度分辨率为0.01℃，该控温仪带有专家PID算法及自整定功能，具有双输入、双输出功能。

进一步的，所述黑体辐射源主体模块还包括传感器，所述传感器分别安装在所述主加热片和所述辐射板上；所述传感器为B/5级精度的铂电阻，安装传感器前需要对传感器和控温仪组成的测温及控温电路进行整体计量及一致性修正。

将传感器安装在主加热片和辐射板上，方便对主加热片控温，并且能够保证对辐射板温度均匀性的测试，提高了面源黑体辐射源装置的温度均匀性和精度；对传感器和控温仪组成的测温及控温电路进行整体计量及一致性修正能够有效提高面源黑体辐射源装置的测温精度。

本发明有益效果如下：

1)本发明提供的一种真空低温条件下应用的高精度面源黑体辐射源装置，该装置突破了面源黑体温度传感器一致性修正、低温条件下温度传感器安装工艺、真空条件下黑体温度均匀性实时测量、非等温条件下圆柱空腔黑体的等效发射率计算等关键技术；

2)本发明所制备的真空低温环境下工作的高精度面源黑体辐射源装置具有高发射率、高温度均匀性、宽温度范围的特点，能够用于红外探测设备的标定和测试，用于建立真空环境下低温目标性能测试系统；

3)本发明装置的有效发射率、测温不确定度、温度均匀性、温度稳定性等性能指标优异，在真空低温条件下不存在污染，能够长时间稳定工作，并且可以根据此发明将涉及到的技术扩展到更大辐射面积、更宽温度范围的真空低温条件下应用的红外辐射源上加以应用。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明面源黑体辐射源装置组成图；

图2为本发明面源黑体辐射源主体模块主视图；

图3为本发明面源黑体辐射源主体模块仰视图。

其中，1-真空舱，2-第一上方制冷铜辫，3-第一底部制冷铜辫，4-第二上方制冷铜辫，5-第二底部制冷铜辫，6-舱内控制电缆，7-电气法兰盘，8-舱外控制电缆，9-控制器模块，10-支脚，11-底部支撑板，12-底部隔热块，13-辐射板，14-辅助铜辫安装板，15-上盖板，16-热平衡罩，17-外罩，18-导热固定板，19-辅助加热片，20-辅助传感器，21-隔热板，22-主加热片，23-主传感器，24-热平衡板，25-主铜辫安装板，26-真空航插。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

一种真空低温条件下应用的高精度面源黑体辐射源装置，主要包括：黑体辐射源主体模块、真空舱1、舱内控制电缆6、穿墙航插、舱外控制电缆8、第一上方制冷铜辫2、第一底部制冷铜辫3、第二上方制冷铜辫4、第二底部制冷铜辫5和控制器模块9，穿墙航插安装在电气法兰盘7上，其中，黑体辐射源主体模块主要包括支脚10、底部支撑板11、底部隔热块12、辐射板13、辅助铜辫安装板14、上盖板15、外罩17、热平衡罩16、导热固定板18、辅助加热片19、辅助传感器20、隔热板21、主加热片22、主传感器23、热平衡板24、主铜辫安装板25、真空航插26；控制器模块9包括机箱、控温仪、程控电源、风扇、开关、电源接口、黑体控制接口和温度均匀性检测接口。

如图1所示，黑体辐射源主体模块通过支脚10放置在真空舱1内，黑体辐射源主体模块通过4条制冷铜辫即第一上方制冷铜辫2、第一底部制冷铜辫3、第二上方制冷铜辫4和第二底部制冷铜辫5与真空舱1的内壁相连接，使黑体辐射源主体模块可持续降温，相当于黑体辐射源主体模块具有一个固定的制冷功率；4条制冷铜辫中，第一底部制冷铜辫3和第二底部制冷铜辫5的一端分别安装在黑体辐射源主体模块的下端中心位置，另一端分别与真空舱内壁的下半部相连，第一上方制冷铜辫2和第二上方制冷铜辫4一端分别安装在黑体辐射源主体模块左右两端的中间位置，另一端与真空舱内壁的上半部相连；加热片及传感器通过舱内控制电缆、穿墙航插及舱外控制电缆与控制器模块相连接。本发明中的电缆在真空舱内部分采用能耐低温环境的镀银多股铜线制作，并在其外端使用聚四氟带将其扎成一束，可降低电缆的真空放气率，保证舱内部分的控制电缆不会产生污染；真空舱外控制电缆采用普通铜导线，且在导线外部缠有锦纶护套，电缆上的航插头与真空舱法兰上的航插座型号需进行匹配选用。

如图2、3所示，本发明黑体辐射源主体模块为圆柱形结构，且为对称结构，两个支脚10分别对称安装于底部支撑板11的下方，用于支撑整个黑体辐射源主体模块，底部支撑板11为环形结构，底部支撑板11的上端外缘与外罩17固定连接，外罩17的顶端中心位置开有圆形孔，上盖板15的下端面与圆形孔的直径相匹配，恰好能够将外罩17盖住，上盖板15的上端固定一个把手，方便对上盖板15的移动；在底部支撑板11的上端、外罩17的内部固定有底部隔热块12；在底部隔热块12上端固定有热平衡板24，热平衡板24上方布置主加热片22，主加热片22上方为辐射板13，辐射板13与热平衡板24通过四周的螺钉相连接，同时能够将主加热片22牢固的固定在两者之间；由于主加热片22和辐射板13表面不可避免的存在一定的不平整性，因此为了使两者在整个接触面上均匀的接触，在两者之间布置导热性能良好的柔软的0.5mm厚的导热碳膜，以确保辐射板13受热均匀；热平衡罩16固定于辐射板13上，热平衡罩16为环形倒桶装结构，为了不影响辐射面的温度均匀性，在热平衡罩16和辐射板13之间安装隔热板21，隔热板21选用聚四氟乙烯材料加工成环形结构；在热平衡罩16外侧周向布置2片聚酰亚胺薄膜辅助加热片19，均匀的覆盖热平衡罩一周；辅助加热片19外侧安装2个带有安装法兰结构的半圆周形状的导热固定板18，能够在卡紧辅助加热片19的同时起到匀热的作用；在导热固定板18外部中下端或其他任何位置固定有辅助铜辫安装板14，辅助铜辫安装板14的结构为铜块，为给热平衡罩16提供一个恒定的制冷功率，辅助铜辫安装板14用于安装第一上方制冷铜辫2和第二上方制冷铜辫4，在热平衡板24的底部设有主铜辫安装板25，主铜辫安装板为圆形结构，其直径与底部支撑板环形内径相同，主铜辫安装板25用于安装第一底部制冷铜辫3和第二底部制冷铜辫5。

其中，热平衡罩16的主体结构选用硬铝材料加工而成，在热平衡罩16的上端出口处设有15°坡角，以便能够更好的产生黑体效应，下端设计加工安装法兰，通过隔热板21与辐射板13相连接；在导热固定板18两侧相对的位置处各自安装1根铜辫，为热平衡罩整体提供一个固定的制冷功率，用于该部分的降温；辅助传感器20布置在导热固定板18的安装法兰处，用于实时反馈热平衡罩16的温度，以便形成闭环控制系统；辐射板13和热平衡罩16上安装的加热片通过独立控制回路实现各自部分的精确温度控制，有效提高辐射源的温度均匀性。

辐射板13采用紫铜作为基体材料，表面加工成四角形微锥结构，能够在一定程度上提高辐射面的发射率，在微锥表面喷涂真空条件下适用的自身发射率高于0.92的高发射率黑漆，其发射率能够达到0.97以上，高发射率黑漆可以选择上海有机所的F952黑漆；为了满足对辐射源发射率更高的要求，采用辐射板上方安装热平衡罩的结构形式，并在热平衡罩内壁喷涂自身发射率高于0.92的高发射率黑漆，形成一定的腔体效应，能将黑体的发射率提高到0.99以上。

黑体辐射源主体模块中的加热片均选用聚酰亚胺薄膜加热片，其加热功率较高，工作电压为直流110V，其中，主加热片22加工为圆形加热片，最大加热功率300W，热平衡罩16上的辅助加热片19加工成矩形，最大加热功率为500W。

本发明在主加热片22的中心位置加工2个小孔，用于布置主传感器23，其中一支用于对主加热片22控温，另外一支用于备份；黑体辐射源主体模块中选用的传感器均为B/5级精度的铂电阻。

本发明在辐射板13四周加工6个小孔，分别安装测温热电耦，用于对辐射面温度均匀性的测试。

本发明控制器模块，主要包括机箱、控温仪、程控电源、风扇、电源开关、电源接口、黑体控制航插接口和温度均匀性检测航插接口，本发明采用标准4U机箱，前面板安装控温仪表和电源开关，后面板安装1个电源标准接口、1个黑体控制航插接口及1个温度均匀性检测航插接口。其中控温仪是本系统中的关键部件，本发明选用的控温仪在黑体辐射源工作温度范围内的温度分辨率为0.01℃，并且该控温仪带有专家PID算法及自整定功能，具有双输入、双输出功能；本发明为了减小黑体辐射源对其他真空设备的电磁干扰，黑体辐射源采用程控直流电源加热，所选用的电源具有输入电压范围宽、输出电压线性度好的特点，能够满足本系统应用。

上述主传感器和辅助传感器均为温度传感器。

本发明制备了圆柱空腔式结构的面源黑体辐射源装置，其中，微锥辐射板的直径为150mm、发射率约为0.98，面源黑体辐射源装置的侧壁为200mm高、发射率约为0.92。为了解决非等温空腔腔口处的有效辐射温度发射率的计算问题，从空腔内的辐射传输过程入手，计算腔口处的辐射通量。腔口处的辐射通量来源为腔底及腔环直接到达腔口的辐射通量及其在腔内多次反射后到达腔口的辐射通量的总和。计算过程中，变量为圆柱空腔的直径d，空腔长度L，腔底发射率εd，腔环发射率εh，腔底温度Td，腔环温度Th。计算直接到达腔口的辐射通量及其在腔内一次、二次、三次反射后到达腔口的辐射通量后，可分析得出源自腔底的反射后到达腔口的辐射通量下次与上次之比为0.068；源自腔环的反射后到达腔口的辐射通量下次与上次之比为0.070。再对多次反射的辐射通量进行无穷级数的积分，可计算得到腔口处的辐射通量。腔口的辐射通量与腔底及腔环的辐射通量之和的比值即为圆柱空腔黑体的等效发射率。

为了提高面源黑体辐射源装置的测温精度，需要对温度传感器和控温仪组成的测温及控温电路进行整体计量及一致性修正，本发明选用的温度传感器为B/5级精度的铂电阻，其允差值为±(0.06℃+0.001|t|)，|t|为测量温度的绝对值，单位为℃。

温度传感器和控温仪组成的测温及控温电路进行整体计量及一致性修正的方法为：首先将选用的一批传感器进行检定，选用温度偏差较小且温度一致性较好的传感器作为备选传感器，此时使用的电测仪器为检定机构提供；再将计量过的精度较高的控温仪(精度等级满足万分之五量程，即在-100℃～100℃范围内测温精度优于±0.05℃)作为电测仪器与备选传感器相连接后整体进行第二次检定，以便对传感器和控温仪整体产生的测量温差进行一次性修正；在-100℃～100℃温度范围内进行多点修正，每2个温度点之间采用线性插值法修正其温度值；将温度传感器和控温仪表作为一个整体进行计量，并对测量结果进行修正。最终修正后的测量不确定度包括：测量重复性产生的不确定度分量；计量标准恒温槽插孔之间温差引入的不确定度分量；计量标准中电测设备的测量误差引入的不确定度分量；标准铂电阻自身的测量不确定度分量；自热引入的不确定度分量。目前国内计量机构检定铂电阻传感器和控温仪表组成的整体测温电路的测量不确定度优于0.06℃。

温度传感器的安装工艺会对其测温准确性产生一定的影响。黑体辐射源工作时，温度传感器的测量值与辐射板的真实温度可能会有一定的偏差，尤其是在低温段(-50℃以下)，引线温度会高于传感器感温芯片的温度，如果不对传感器引线采取特殊的安装工艺，热量会传递到感温芯片处，这样就会造成测温的不准确。为了避免该情况的发生，在传感器安装时要保证其与辐射板接触良好，并且传感器的引线也要与辐射板充分良好接触，使引线温度尽可能与传感器所处环境温度一致，保证不因为引线与传感器的温差造成传感器测温的不准确。传感器安装时，使其引线经过辐射板背面沟槽后再引出，以使引线温度与测温点的温度尽量一致，保证低温测量时的温度准确性。

黑体辐射源的温度均匀性需要能够在真空条件下进行实时测试，本发明采用测温重复性较好的热电耦作为温度均匀性测量的器件，并且热电耦的测试数据能够通过穿墙航插引出到舱外高精度电压表中，以便对温度均匀性进行实时观测。用于温度均匀性测试的热电偶在安装前在冰点槽中进行了筛选，选出一致性较好的6对热电耦(测温一致性优于0.01K)安装在黑体辐射板的背面。安装时将6对热电耦的一端固定在一起，使得热电偶该端的温度一致，另外一端分别安装在辐射板圆周上的不同位置处，通过电压表显示的6个电压值即可实时检测黑体辐射面的温度均匀性；热电偶安装时要保证接触良好，以尽量避免安装引起的测量误差。

经测试，本发明面源黑体辐射源装置能够达到的技术指标如下：

黑体工作温度范围：200K-350K；

黑体辐射口径：Φ150mm；

温度稳定性：优于±0.08K/30分钟；

有效辐射面温度均匀性：优于±0.09K；

测温不确定度：±0.06K；

发射率：0.99。

综上所述，本发明提供的一种真空低温条件下应用的高精度面源黑体辐射源装置，突破了面源黑体温度传感器一致性修正、低温条件下温度传感器安装工艺、真空条件下黑体温度均匀性实时测量、非等温条件下圆柱空腔黑体的等效发射率计算等关键技术，所制备的真空低温环境下工作的高精度面源黑体辐射源装置具有高发射率、高温度均匀性、宽温度范围的特点，能够用于红外探测设备的标定和测试，用于建立真空环境下低温目标性能测试系统；同时，本发明装置的有效发射率、测温不确定度、温度均匀性、温度稳定性等性能指标优异，在真空低温条件下不存在污染，能够长时间稳定工作，并且可以根据此发明将涉及到的技术扩展到更大辐射面积、更宽温度范围的真空低温条件下应用的红外辐射源上加以应用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。