紅外輻射溫度計(jì)瞄準(zhǔn)的平面輻射源模型

原遵東

（中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100013）

紅外輻射溫度計(jì)瞄準(zhǔn)的平面輻射源模型

原遵東

（中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100013）

用典型紅外輻射溫度計(jì)的輻射源尺寸效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明不同測量條件下的檢定／校準(zhǔn)結(jié)果的差異可能為其最大允許誤差絕對值的數(shù)倍。提出具有明確測量條件的平面輻射源瞄準(zhǔn)模型和以輻射源前置光闌的方式對于不同空腔黑體輻射源實(shí)現(xiàn)相同的等效平面源直徑的方法，提出了對光闌的技術(shù)特性和放置距離要求，分析表明低溫輻射源對光闌的冷卻作用可能引起不可忽略的示值降低。采用等效平面源模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明以不同幾何條件的空腔黑體輻射源可得到一致的檢定結(jié)果。討論了應(yīng)用平面輻射源模型可能遇到的實(shí)際技術(shù)問題和解決的對策。

計(jì)量學(xué)；平面輻射源模型；紅外輻射溫度計(jì)；輻射源尺寸效應(yīng)；輻射測溫；瞄準(zhǔn)

1 引 言

輻射測溫的測溫范圍向低溫發(fā)展的兩項(xiàng)主要技術(shù)措施，一是輻射測量的光譜范圍由傳統(tǒng)的可見波長轉(zhuǎn)為采用紅外波長，二是采用較大的測量目標(biāo)，可以在較低的被測溫度下獲得足夠的信噪比。無論源于設(shè)計(jì)難度還是成本控制，在統(tǒng)計(jì)上，紅外輻射溫度計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)特性劣于可見光系統(tǒng)，其中較為突出的是輻射源尺寸效應(yīng)（size-ofsource Effect，SSE）［1，2］。長波溫度計(jì)的SSE明顯劣于用于高溫測量的短波溫度計(jì)的SSE［3，4］。另一方面，對大目標(biāo)輻射溫度計(jì)而言，不少被測對象的尺度明顯遠(yuǎn)離無限大輻射源。這兩個(gè)原因使得紅外輻射溫度計(jì)測量不同大小的輻射源時(shí)SSE的影響顯著，成為影響檢定校準(zhǔn)一致性和測溫應(yīng)用水平的主要因素［3～6］。

為此，國際電工委員會（IEC）的輻射溫度計(jì)國際標(biāo)準(zhǔn)［7］要求制造商宣稱輻射溫度計(jì)不確定度時(shí)指出校準(zhǔn)的測量條件，包括測量距離［7］和輻射源直徑。然而，目前絕大多數(shù)輻射溫度計(jì)尚未按新標(biāo)準(zhǔn)給出校準(zhǔn)時(shí)的輻射源直徑，而輻射溫度計(jì)技術(shù)指標(biāo)中的目標(biāo)直徑與校準(zhǔn)的輻射源直徑的比例關(guān)系沒有明確規(guī)定，不同溫度計(jì)之間差異較大；檢定或校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室并且兩者之間沒有較一致的選擇關(guān)系。文獻(xiàn)［8］實(shí)驗(yàn)分析了采用不同輻射源時(shí)距離和調(diào)焦對輻射溫度計(jì)校準(zhǔn)結(jié)果的影響，建議采用目標(biāo)直徑2倍以上的輻射源，以減小校準(zhǔn)結(jié)果的差異。

國內(nèi)現(xiàn)行3個(gè)輻射溫度計(jì)檢定規(guī)程［9～11］和新的IEC國際標(biāo)準(zhǔn)中均沒有明確界定在檢定或校準(zhǔn)中輻射溫度計(jì)目標(biāo)與輻射源之間的位置關(guān)系。不同直徑的輻射源，乃至同直徑不同空腔深度的輻射源，對于檢定與校準(zhǔn)不具有理想的SSE特性的輻射溫度計(jì)來說是不等同的；即使采用同一輻射源，在不同測量條件下也是不等同的。實(shí)際檢定中，由于不少輻射溫度計(jì)產(chǎn)品說明書在很寬的測量距離范圍給出相同的距離系數(shù)名義值，檢定人員往往根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的黑體輻射源實(shí)際條件來確定測量距離，加之對測量距離的理解不同，造成檢定的實(shí)際測量條件有明顯差異。由此引起檢定結(jié)果的差異在許多情況下是不能忽略的，有時(shí)可能超過輻射溫度計(jì)的最大允許誤差。

本文通過典型輻射溫度計(jì)SSE的測量結(jié)果，說明不同檢定條件可能對檢定結(jié)論有嚴(yán)重影響；提出檢定的平面輻射源模型、實(shí)際檢定中實(shí)現(xiàn)等效平面輻射源及其對檢定的適用性的方法，并以實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明采用等效平面輻射源模型后檢定／校準(zhǔn)結(jié)果的一致性。

2 不同測量距離對測量結(jié)果的影響

理想輻射溫度計(jì)的測量結(jié)果只與其瞄準(zhǔn)的目標(biāo)的輻射亮度有關(guān)；而實(shí)際輻射溫度計(jì)的輸出受其SSE的影響還與目標(biāo)以外的背景輻射的強(qiáng)弱有關(guān)，表現(xiàn)為輸出信號與被測輻射源的大小及亮度有關(guān)。

對于可調(diào)焦輻射溫度計(jì)，正常使用均是在目標(biāo)聚焦（in-focus）狀態(tài)下的，輻射溫度計(jì)的SSE和距離效應(yīng)（DE）［12］是影響不同測量距離和源面積下測量結(jié)果一致性的因素。

對于不可調(diào)焦輻射溫度計(jì)，影響不同測量距離和源面積下測量結(jié)果一致性的因素是聚焦和失焦（out-focus）測量距離下的SSE特性。至輻射源不同實(shí)際距離的同一測量距離下的虛擬物面的映射等效平面輻射源面積不同；一般而言，不同距離下的測量距離與（可能不清晰的）視場的直徑之比并不恒定。由于輻射溫度計(jì)的距離系數(shù)定義為目標(biāo)聚焦?fàn)顟B(tài)下的測量距離與視場直徑之比［7］，因此，不同距離下的測量距離與（可能不清晰的）視場的直徑之比不宜稱為距離系數(shù)。以具有典型SSE特性的Fluke F68型8～14μm輻射溫度計(jì)為例，其在不同測量距離下的SSE特性見圖1（a）。具有較好的SSE特性的HEITRONICSTRT 3.82型8～14μm輻射溫度計(jì)的SSE特性見圖1（b）。兩者的SSE函數(shù)曲線在較平坦區(qū)的SSE變化分別約為3%和0.1%。

圖1 8～14μm輻射溫度計(jì)在不同測量距離下的SSE特性

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，輻射溫度計(jì)在測量距離與輻射源直徑保持恒定比值的不同測量距離下的SSE函數(shù)不相等，即在不同測量距離和按同一距離-源直徑比確定輻射源直徑的測量條件下，輻射溫度計(jì)的示值有顯著差異。而具有類似SSE特性的輻射溫度計(jì)數(shù)量較多，在8～14μm等長波長輻射溫度計(jì)中占大多數(shù)。

文獻(xiàn)［13］分析了SSE對輻射溫度計(jì)示值影響的規(guī)律。1%的SSE差異對不同波長輻射溫度示值的影響見圖2。不同測量條件引起的SSE差異對大多數(shù)8～14μm輻射溫度計(jì)（可等效為10μm輻射溫度計(jì)［14］）而言，對檢定或校準(zhǔn)結(jié)果的影響可能超過其最大允許誤差絕對值，甚至為其數(shù)倍。

圖2 1%SSE差異對不同波長輻射溫度示值的影響

3 輻射溫度計(jì)的瞄準(zhǔn)模型

3.1 以輻射源不同位置為被測目標(biāo)引起的問題

以圓柱空腔黑體輻射源不同位置為被測目標(biāo)時(shí)，目標(biāo)面下的源的局部直徑始終不變，但空腔整體（即腔口）在此測量距離下的映射平面直徑明顯不同，見圖3。圖中簡化的映射關(guān)系是近似的，但足以定性地說明問題。

圖3 以黑體空腔不同深度處為測量目標(biāo)時(shí)的等效平面映射源直徑示意圖

輻射溫度計(jì)采用不同的瞄準(zhǔn)方式時(shí)，即以輻射源空腔底部或空腔口部（乃至空腔外）等不同位置為被測目標(biāo)時(shí)，雖然名義上測量距離保持不變，但存在2個(gè)問題：

（1）映射平面源尺寸不同；

（2）而且由于空腔側(cè)壁的有效亮度分布不同導(dǎo)致映射平面源的亮度不均勻。

因此，輻射溫度計(jì)在此條件下的測量結(jié)果不同于對同尺寸平面均勻亮度源的測量結(jié)果。而目前國內(nèi)輻射溫度計(jì)檢定的實(shí)際操作，多采用瞄準(zhǔn)輻射源空腔底部的方法，檢定條件不一致是突出問題。

3.2 理想平面模型

在輻射溫度計(jì)的檢定或校準(zhǔn)中，標(biāo)準(zhǔn)輻射源應(yīng)采用平面源模型。在此模型下，應(yīng)用不同形式的輻射源，測量距離和輻射源（等效）直徑具有明確的、相同的意義，見圖4。

圖4 平面輻射源瞄準(zhǔn)模型

3.3 等效平面輻射源形成

采用在（空腔）黑體輻射源或面輻射源前加光闌的方法獲得所需直徑的等效平面輻射源，見圖5。

圖5 等效平面輻射源

這種輻射測溫等效平面輻射源模型，與輻射照度測量中的源模型形式相同，但物理意義不同。后者限定的是直接產(chǎn)生照度的源的大小，前者限定的是測量目標(biāo)之外的背景輻射區(qū)域的大小。

3.4 對瞄準(zhǔn)的要求及輻射源的適用性

輻射溫度計(jì)的瞄準(zhǔn)應(yīng)使溫度計(jì)與光闌的間距滿足對測量距離的要求。對于檢定，測量距離為輻射溫度計(jì)的最佳測量距離或設(shè)計(jì)測量距離。對于校準(zhǔn)，測量距離應(yīng)采用用戶要求的距離或檢定測量距離。

檢定測量距離和光闌直徑的確定應(yīng)根據(jù)輻射溫度計(jì)的說明書信息確定。由于產(chǎn)品說明書信息不規(guī)范，難以采用簡單統(tǒng)一的確定方法，此問題將另文討論。

輻射溫度計(jì)的瞄準(zhǔn)，應(yīng)通過方位調(diào)整使輻射溫度計(jì)、黑體輻射源及光闌保持同軸，優(yōu)先保證前二者的同軸水平。

輻射溫度計(jì)通過光闌應(yīng)只能“看到”黑體輻射源的亮度均勻區(qū)域，并使等效平面輻射源的發(fā)射率等于黑體輻射源空腔底部有效發(fā)射率，見圖5。否則，黑體輻射源的性能不滿足本文假設(shè)的檢定對均勻亮度輻射源的模型要求。

相對于目前檢定實(shí)驗(yàn)室的主流輻射源而言，本文所述瞄準(zhǔn)模型對輻射源直徑的要求更大，腔深較小的輻射源的實(shí)用性更突出。在這方面，面輻射源是理想的形式，但其發(fā)射率和溫度均勻性等性能往往制約了其在高水平檢定校準(zhǔn)中的應(yīng)用。

4 對光闌的要求

4.1 幾何形狀與反射特性

（1）一般采用金屬材質(zhì)基體，光闌孔直徑應(yīng)滿足檢定或校準(zhǔn)的需求，具有薄邊緣或刀口型邊緣；

（2）在輻射溫度計(jì)的光譜范圍內(nèi)，光闌面向輻射源一側(cè)應(yīng)具有高吸收比亞光表面（涂層），這對發(fā)射率明顯小于1的面輻射源更為重要；面向輻射源溫度計(jì)一側(cè)應(yīng)為具有高反射比的亞光表面或較高吸收比的亞光表面，其中高反射比表面對恒溫的要求較低。

4.2 光闌-輻射源間距

空腔型黑體輻射源的有效吸收比高，前置光闌對輻射源輻射的反射被再次反射的比例可忽略。因此，在光闌不被顯著加熱和光闌的放置不影響黑體輻射源溫度分布的前提下，光闌應(yīng)置于靠近黑體輻射源的位置，一般距輻射源開口約5 cm；面輻射源通常具有百分之幾的反射比，前置光闌對面源輻射的反射會增強(qiáng)面源的有效輻射亮度，影響面輻射源的亮度溫度。文獻(xiàn)［15］的實(shí)驗(yàn)表明，光闌置于距輻射源前不少于20 cm，光闌反射對輻射源的影響可忽略。

4.3 光闌溫升對測量結(jié)果的影響

以單帶通輻射溫度計(jì)為例，在文獻(xiàn)［13］對不同源尺寸與背景溫度下的探測器輸出信號修正的基礎(chǔ)上，分析輻射源前置光闌溫升引起的背景輻射變化對輻射溫度計(jì)示值的影響。

本分析中，源與背景模型為：源半徑r1不變，溫度為Tb2的光闌形成的背景圓環(huán)半徑從r1至r2，半徑r2之外溫度仍為Tb1。也可視為三溫區(qū)無限大輻射源的SSE問題?？傻玫奖尘案淖円鸬臏囟仁局底兓BR（Tb2，Tb1）：

上式中，σ（r2，r1）＝σ（r2）／σ（r1），為輻射溫度計(jì)的源半徑r1到r2的SSE函數(shù)。

假設(shè)，環(huán)形背景的內(nèi)半徑和外半徑分別為r1和r2，σ（r2，r1）＝1.01，表1為光闌區(qū)SSE影響為1%時(shí)，背景溫度從20℃升高10℃（Tb1＝20℃，Tb2＝30℃）時(shí)，對1.5μm、4μm和8～14μm輻射溫度計(jì)示值的影響。

表1 對輻射溫度計(jì)示值的影響

從定量理論分析可看出，因輻射源的加熱（或冷卻）引起前置光闌的溫升（或溫降）10℃對輻射溫度計(jì)校準(zhǔn)的影響較弱。在較高溫度，即使溫升達(dá)到100℃，最大影響僅約為0.2℃。在室溫附近，源的加熱影響遠(yuǎn)低于10℃，可忽略。低于室溫的輻射源通常用于檢定或校準(zhǔn)8～14μm輻射溫度計(jì)，只要光闌與環(huán)境溫度的差異不超過3℃，即使對－50℃的影響也不超過0.1℃；對較短波長的溫度計(jì)，例如4μm輻射溫度計(jì)，在－20℃以下的較低溫度的精密校準(zhǔn)時(shí)，光闌溫度的影響應(yīng)引起注意，應(yīng)注意避免室溫以下低溫輻射源對光闌較強(qiáng)冷卻作用的影響，1℃水平的準(zhǔn)確測量或控制是必要的。

實(shí)際輻射溫度計(jì)的SSE函數(shù)在正常檢定中的σ（r2，r1）－1的數(shù)值通常為0.01的幾分之一至幾倍，其背景溫度升高的幅度與上述理論計(jì)算不會有數(shù)量級的增加。因此，只要注意將光闌放置在受輻射源溫度影響不強(qiáng)烈的位置，不必對光闌采取特殊的恒溫措施。

雖然從光闌溫度引起的SSE對輻射溫度計(jì)的影響而言，光闌溫升或溫降影響不大，但對于發(fā)射率不夠高的黑體輻射源，特別是面輻射源，光闌溫度偏離室溫的顯著升降，會改變輻射源的輻射環(huán)境，進(jìn)而影響其有效亮度溫度。在大直徑面輻射源前0.2 m長時(shí)間放置無專門冷卻措施的黑光闌，在源溫度500℃時(shí)，會引起50℃以上的光闌溫度升高。因此，出于對輻射源影響的考慮，對發(fā)射率不足夠高的輻射源，對光闌溫度的控制是必要的。

5 校準(zhǔn)結(jié)果驗(yàn)證

采用5種型號的黑體輻射源，在不同溫度點(diǎn)對具有典型SSE特性的8～14μm輻射溫度計(jì)FLUKE F68和F572分別進(jìn)行校準(zhǔn)。輻射源特性見表2。兩種輻射溫度計(jì)的設(shè)計(jì)測量距離分別為0.9 m和1.15 m，目標(biāo)直徑均為18 mm。校準(zhǔn)時(shí)輻射源前置光闌直徑采用接近目標(biāo)直徑1.5倍的30 mm。輻射溫度計(jì)校準(zhǔn)結(jié)果見表3。由表3可看出，雖然采用不同直徑和空腔深度有較大差異的輻射源，兩溫度計(jì)在各自相同的等效源直徑與測量距離下，在相同校準(zhǔn)溫度點(diǎn)下均獲得了相對于最大允許誤差較為一致的示值誤差；兩溫度計(jì)示值誤差較大與其出廠分度測量條件與本文條件有較大差異有關(guān)，但不影響本文上述分析結(jié)論，同時(shí)也從一個(gè)側(cè)面反映了采用一致的瞄準(zhǔn)測量條件對檢定的重要性。

表3 采用不同輻射源的校準(zhǔn)結(jié)果℃

6 結(jié)論與討論

（1）由于輻射溫度計(jì)的輻射源尺寸效應(yīng)和距離效應(yīng)的影響，輻射溫度計(jì)的測量、校準(zhǔn)或檢定應(yīng)注明測量距離和輻射源直徑等測量條件。

（2）對空腔黑體輻射源，輻射溫度計(jì)采用不同瞄準(zhǔn)方式（聚焦位置）時(shí)，輻射源的實(shí)際等效平面映射尺寸不同、映射面亮度不均勻，即測量條件不同。

（3）輻射溫度計(jì)瞄準(zhǔn)采用平面輻射源模型，可獲得具有明確和一致含義的測量條件。輻射源前置光闌的方法可實(shí)現(xiàn)等效平面輻射源模型。這對于SSE特性不理想的紅外輻射溫度計(jì)的精密測量是非常重要的，它使校準(zhǔn)的瞄準(zhǔn)測量條件清晰，測溫應(yīng)用與校準(zhǔn)的瞄準(zhǔn)測量條件差異的修正簡單可行。

（4）對光闌影響的定量分析表明，在較高溫度，輻射源的加熱引起的光闌溫度改變10℃，對輻射溫度計(jì)的影響通常是可忽略的；但應(yīng)避免低溫輻射源對光闌的較強(qiáng)冷卻作用和面輻射源可能對光闌的加熱溫升。

（5）對同一型號輻射溫度計(jì)的檢定應(yīng)采用盡可能統(tǒng)一的測量條件。因此，理想的方式是，對輻射溫度計(jì)的檢定不根據(jù)輻射源的幾何條件確定輻射源度計(jì)的測量條件，而是采用輻射溫度計(jì)要求的測量條件并判斷輻射源的適用性。目前輻射溫度計(jì)產(chǎn)品說明書瞄準(zhǔn)測量條件技術(shù)信息不完整、不規(guī)范，統(tǒng)一的檢定測量距離的具體方法和可行性需進(jìn)一步探討確定。

（6）相對于以往較普遍采用的瞄準(zhǔn)空腔底部的瞄準(zhǔn)方式，前置光闌的等效平面源瞄準(zhǔn)方式具有更清晰的瞄準(zhǔn)模型和更明確的測量條件，避免了等效平面源直徑的增大引起的檢定或校準(zhǔn)結(jié)果的不一致性。

（7）應(yīng)用平面輻射源模型需要考慮的技術(shù)問題：

本方法用于輻射溫度計(jì)檢定／校準(zhǔn)和黑體輻射源校準(zhǔn)具有原理上的優(yōu)勢。

對于黑體輻射源比較法校準(zhǔn)，在被校黑體和標(biāo)準(zhǔn)黑體前放置等直徑、等溫光闌是優(yōu)選的瞄準(zhǔn)測量條件；對于SSE特性不十分理想的紅外長波標(biāo)準(zhǔn)輻射溫度計(jì)校準(zhǔn)，平面輻射源瞄準(zhǔn)模型也是應(yīng)優(yōu)選的方案。

對于一般水平的工業(yè)級紅外單一帶通輻射溫度計(jì)，在此方式下，檢定或校準(zhǔn)示值低于瞄準(zhǔn)空腔底部時(shí)的示值，并隨著溫度計(jì)SSE特性的不理想程度而不同。檢定方法從其他方法切換至此方法時(shí)，會對在用溫度計(jì)的檢定結(jié)果造成短期沖擊。要減小這種沖擊，則要求采用較大直徑的光闌和相應(yīng)更大直徑的輻射源。

同時(shí)，采用等效平面源瞄準(zhǔn)方式后，因瞄準(zhǔn)偏心和不同軸引起的測量重復(fù)性（與黑體輻射源空腔底部的溫度均勻性有關(guān)）的影響會相對增大。因此，相對于瞄準(zhǔn)空腔底部，采用新瞄準(zhǔn)方式需要操作者具有更高的方位瞄準(zhǔn)技能，或采用較大直徑的光闌和相應(yīng)更大直徑的輻射源。

本文討論的測溫儀器對象是SSE特性問題較為突出的紅外輻射溫度計(jì)。目的是使檢定具有明確、統(tǒng)一的測量條件，獲得一致的檢定結(jié)果。用于高溫測量的短波段輻射溫度計(jì)產(chǎn)品的輻射源尺寸效應(yīng)在統(tǒng)計(jì)上明顯好于用于中低溫測量的輻射溫度計(jì)，少量紅外輻射溫度計(jì)也具有優(yōu)異的SSE特性。此時(shí)，瞄準(zhǔn)重復(fù)性影響可能上升為決定性不確定度因素，可調(diào)整控制不確定度因素的優(yōu)先順序，以提高瞄準(zhǔn)重復(fù)性水平，獲得最佳的綜合不確定度水平。

針對目前多數(shù)在用輻射源直徑偏小的現(xiàn)實(shí)，在制定檢定規(guī)程時(shí)，需要考慮方法的統(tǒng)一、普遍實(shí)用性和量值延續(xù)性，需綜合考慮多種因素的影響。

致謝感謝邢波、楊雪所做的輻射溫度計(jì)SSE測量和分度實(shí)驗(yàn)。

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Plane Radiation Source Model for Infrared Radiation Thermometer Aim ing

YUAN Zun-dong
（National Institute of Metrology，Beijing 100013，China）

The typical size-of-source effect results of radiation thermometers show that verification result differences between differentmeasurement conditions are possible to be several times of the absolute value of themaximum permissible error of the thermometers.A plane radiation source（PRS）model for aiming of the thermometers with a definitive measurement condition is presented，the radiation source-preposed aperturemethod to realize a unique equivalent PRSby the radiation sources with the different cavity sizes，and the technical characteristics and placed distance requirement are also recommended.Analysis shows that an inappropriate cooling from a low temperature radiation source to the aperture leads ameasurement result drop which is not neglectable.The experiments adopted the equivalent PRSshow the consistent verification results obtained by different-characteristic radiation sources.The problemswhich would be faced up to when the PRSmodel is applied and measures are discussed.

Metrology；Plane radiation sourcemodel；Infrared radiation thermometer；Size-of-source effect（SSE）；Radiation thermometry；Aiming

TB942

A

1000-1158（2014）05-0434-06

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．05．06

2012-07-10；

2013-12-04

原遵東（1960－），福建莆田人，中國計(jì)量科學(xué)研究院研究員，主要研究方向?yàn)闇囟扔?jì)量。yuanzd＠nim.ac.cn