參考黑體輻射源校準(zhǔn)方法和不確定度評(píng)定

張嵐，蔡靜，孟蘇

（航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095）

0 引言

JJG 856-2015《工作用輻射溫度計(jì)》中規(guī)定，具有檢定所需亮度溫度校準(zhǔn)結(jié)果的黑體輻射源被稱(chēng)為參考黑體輻射源。隨著紅外測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展，紅外溫度計(jì)/熱像儀的使用越來(lái)越廣泛，采用參考黑體輻射源對(duì)其進(jìn)行檢定/校準(zhǔn)是最常用有效的方法［1］。依據(jù)JJF 1552-2015《輻射測(cè)溫用-10℃～200℃黑體輻射源校準(zhǔn)規(guī)范》和JJG（軍工）162-2019《-50℃～1000℃輻射測(cè)溫用參考黑體輻射源檢定規(guī)程》，采用多波長(zhǎng)有效亮度溫度整體溯源的方式對(duì)參考黑體輻射源進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，一般采用比較法［2-3］。本文以某所已有的標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源為例，將對(duì)參考黑體輻射源的校準(zhǔn)方法和不確定度評(píng)定進(jìn)行介紹。

1 校準(zhǔn)方法

采用多波長(zhǎng)有效亮度溫度整體溯源的方式對(duì)參考黑體輻射源進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)方法為將標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源和被校參考黑體輻射源分別設(shè)置在校準(zhǔn)溫度點(diǎn)，使用傳遞用輻射溫度計(jì)分別測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源和被校參考黑體輻射源的亮度溫度，即可計(jì)算得到被校參考黑體輻射源的亮度溫度，校準(zhǔn)原理如圖1所示［2］。

圖1 參考黑體輻射源校準(zhǔn)原理圖

亮度溫度測(cè)量模型公式為

式中：tc為被校參考黑體輻射源的亮度溫度值，℃；ts為標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源參考溫度計(jì)示值平均值，℃；tcr為傳遞用輻射溫度計(jì)測(cè)量被校參考黑體輻射源的亮度溫度示值平均值，℃；tsr為傳遞用輻射溫度計(jì)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源的亮度溫度示值平均值，℃；tci為被校參考黑體輻射源控溫儀表（或測(cè)溫溫度計(jì)）示值的平均值，℃；tcn為檢定點(diǎn)，℃。

2 黑體輻射源標(biāo)準(zhǔn)裝置介紹

已有-50～1000℃黑體輻射源標(biāo)準(zhǔn)裝置主要由酒精槽浴式標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源（簡(jiǎn)稱(chēng)酒精槽黑體）、水槽浴式標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源（簡(jiǎn)稱(chēng)水槽黑體）、水熱管標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源（簡(jiǎn)稱(chēng)水熱管黑體）、萘熱管標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源（簡(jiǎn)稱(chēng)萘熱管黑體）、鉀鈉合金熱管標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源（簡(jiǎn)稱(chēng)鉀鈉熱管黑體）、鈉熱管標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源（簡(jiǎn)稱(chēng)鈉熱管黑體）及傳遞用輻射溫度計(jì)等配套設(shè)備組成。

熱管或者恒溫槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)良好的溫場(chǎng)均勻性，結(jié)合適合的長(zhǎng)徑比，噴涂高發(fā)射率的材料涂層，獲得高且穩(wěn)定的有效發(fā)射率，滿足輻射溫度量傳體系的要求。將其作為標(biāo)準(zhǔn)裝置，結(jié)合多波長(zhǎng)的高穩(wěn)定性傳遞用輻射溫度計(jì)，采用比較法，可實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)有效亮度溫度溯源［4-5］。目前已經(jīng)擁有的傳遞用輻射溫度計(jì)有TRT2（3.9μm），TRT4.82（8～14μm），KT19.42（4.9～5.5μm）以及 KT19.01（2～2.7μm）。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源外形圖

浴式黑體輻射源主要是將一端密閉的管狀黑體腔整體伸入工作區(qū)內(nèi)，使工作區(qū)的工作介質(zhì)加熱黑體腔，如圖3所示，從而可以在黑體腔的壁面和靶面獲得均勻的溫度分布。工作區(qū)采用鉑電阻溫度計(jì)測(cè)溫與PID調(diào)節(jié)技術(shù)相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)較高的溫度穩(wěn)定性和控溫準(zhǔn)確度，根據(jù)工作區(qū)域的工作介質(zhì)不同，可分為酒精槽黑體與水槽黑體［6］。

圖3 浴式黑體輻射源工作區(qū)域示意圖

熱管式黑體輻射源的主要工作原理為：熱管內(nèi)部被抽成真空狀態(tài)，充入適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)（沸點(diǎn)低、易揮發(fā)），管壁有吸液芯，當(dāng)熱管一端受熱時(shí)，毛細(xì)管中的液體迅速蒸發(fā)，蒸氣在微小的壓力差下流向另一端，釋放能量后重新凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流向蒸發(fā)段。熱管內(nèi)部介質(zhì)以此方式重復(fù)循環(huán)，使得熱管具有較好的溫度均勻性。熱管依靠?jī)?nèi)部介質(zhì)相變傳遞熱量，熱阻小、導(dǎo)熱系數(shù)高，均溫性好，獲得均勻的溫場(chǎng)，然后將特定尺寸的黑體腔插入熱管內(nèi)部便可得到較好的均勻溫場(chǎng)，根據(jù)熱管內(nèi)部介質(zhì)的不同可以分為水熱管黑體、萘熱管黑體、鉀鈉熱管黑體與鈉熱管黑體，熱管結(jié)構(gòu)及工作流程如圖4所示。

圖4 熱管結(jié)構(gòu)及工作流程

影響標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源性能的關(guān)鍵指標(biāo)是有效發(fā)射率，根據(jù)黑體輻射源空腔的形狀、軸向溫度分布、黑體空腔表面材料光譜發(fā)射率的實(shí)測(cè)值，并依據(jù)Montecarlo法進(jìn)行有效發(fā)射率的計(jì)算［7-8］。采用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶溫度傳感器對(duì)黑體腔軸向溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試步驟為：在標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源標(biāo)準(zhǔn)孔和黑體腔內(nèi)分別放入標(biāo)準(zhǔn)S型熱電偶，待溫度穩(wěn)定之后，記錄兩根標(biāo)準(zhǔn)偶的溫度，按照20 mm的距離向外移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偶，溫度穩(wěn)定后，記錄兩根標(biāo)準(zhǔn)偶的溫度，計(jì)算得出軸向溫度場(chǎng)的溫差。測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源黑體腔采用圓柱-圓錐形結(jié)構(gòu)，黑體腔表面噴涂高發(fā)射率涂層，依據(jù)上述軸向溫度場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，代入Steep321軟件計(jì)算8～14μm下黑體腔的有效發(fā)射率，標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源的具體性能參數(shù)如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源具體性能參數(shù)

圖5 熱管黑體軸向溫度場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

3 參考黑體輻射源校準(zhǔn)不確定度分量分析［2］

參考黑體輻射源亮度溫度的不確定度主要來(lái)源有：標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源的亮度溫度（ts+Δts）引入的不確定度，傳遞用輻射溫度計(jì)測(cè)量溫差（tcr-tsr）引入的不確定度及被校參考黑體輻射源引入的不確定度。

被校參考黑體輻射源HW112，溫度范圍為300～1200℃，口徑為40 mm，腔長(zhǎng)為300 mm；標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源使用的鈉熱管黑體，口徑為50 mm，以一等標(biāo)準(zhǔn)S型熱電偶作為標(biāo)準(zhǔn)器，插入標(biāo)準(zhǔn)黑體后面預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)孔內(nèi)，以800℃為例對(duì)其校準(zhǔn)進(jìn)行不確定度評(píng)定。

3.1 參考溫度計(jì)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源亮度溫度引入的不確定度u1

1）參考溫度計(jì)傳遞引入的不確定度u11

溫度為800℃時(shí)，一等標(biāo)準(zhǔn)S型熱電偶擴(kuò)展不確定度為0.5℃，包含因子k為2時(shí)，則

2）參考溫度計(jì)配套電測(cè)儀表準(zhǔn)確度引入的不確定度u12

溫度為800℃時(shí)，使用數(shù)字電壓表2700測(cè)量電壓值，最大允許誤差為±（30×10-6×測(cè)量值+30×10-6×200）mV，轉(zhuǎn)化為溫度值為±0.54℃，服從均勻分布，包含因子時(shí)，則

3）參考溫度計(jì)溫度與空腔底參考點(diǎn)溫度的溫差引入的不確定度u13

標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)插入標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源的后面測(cè)溫孔內(nèi)，與空腔底參考點(diǎn)的溫差估計(jì)在±0.3℃以內(nèi)，服從均勻分布，包含因子時(shí)，則

3.2 標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源有效發(fā)射率引入的不確定度u2

標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源采用鈉熱管黑體，有效發(fā)射率為0.9996。發(fā)射率引入的溫度修正量可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源的參考溫度計(jì)溫度、波長(zhǎng)、光闌溫度20℃、有效發(fā)射率進(jìn)行計(jì)算。由于標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源的有效發(fā)射率很高，測(cè)量時(shí)認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測(cè)得的溫度即為亮度溫度，不考慮其引入的修正值，而在不確定度評(píng)定時(shí)需要考慮其引入的不確定度。

表2 溫度修正量

表2給出了溫度為800℃時(shí)，使用不同波段的輻射溫度計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源發(fā)射率ε為0.9996時(shí)引入的溫度修正量的絕對(duì)值。由表2可知，溫度為800℃時(shí)，引入的不確定度為

3.3 標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源和被校參考黑體輻射源的亮度溫度差引入的不確定度u3

1）傳遞用輻射溫度計(jì)的測(cè)量分辨力引入的不確定度u31

TRT 4的分辨力為0.1℃，服從均勻分布，區(qū)間半寬度為0.05℃，包含因子標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.029℃，由于分別測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源和被校參考，因此計(jì)算兩次，則u31=0.04℃。

2）傳遞用輻射溫度計(jì)的穩(wěn)定性引入的不確定度u32

采用比較測(cè)量的方式，利用統(tǒng)計(jì)方法消除漂移的影響，可忽略不計(jì)。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的參考黑體輻射源，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源和被校參考黑體輻射源，因此需考慮傳遞用輻射溫度計(jì)的短期穩(wěn)定性，以3個(gè)月為例，溫度為800℃時(shí)，3個(gè)月的穩(wěn)定性約為0.7℃，服從均勻分布，則u32=0.4℃。

3）傳遞用輻射溫度計(jì)SSE引入的不確定度

使用兩個(gè)相同的光闌，使輻射溫度計(jì)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源和被校參考黑體輻射源時(shí)的SSE相同，可忽略此項(xiàng)不確定度。

4）環(huán)境溫度對(duì)傳遞用輻射溫度計(jì)影響引入的不確定度

參考黑體輻射源一般都是在實(shí)驗(yàn)室情況下進(jìn)行校準(zhǔn)，環(huán)境溫度變化對(duì)輻射溫度計(jì)的影響，可忽略不計(jì)。

3.4 被校參考黑體輻射源引入的不確定度u4

1）被校參考黑體輻射源分辨力引入的不確定度u41

被校參考黑體輻射源控溫儀表分辨力為0.1℃，服從均勻分布，區(qū)間半寬度為0.05℃，包含因子k=u41=0.03℃。

2）被校參考黑體輻射源短期重復(fù)性引入的不確定度u42

采用A類(lèi)評(píng)定方法重復(fù)測(cè)量10次，測(cè)量數(shù)據(jù)為：800.9，800.8，800.9，800.8，800.9，800.9，800.9，801.0，801.0，800.9℃。計(jì)算其實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差為

由于測(cè)量結(jié)果為兩次測(cè)量的平均值，因此重復(fù)性引入的不確定度分量為

3）被校參考黑體輻射源亮度溫度均勻度引入的不確定度u43

按照實(shí)際測(cè)量值，溫度為800℃時(shí)，亮度溫度均勻度為1.0℃，服從均勻分布，包含因子則

4）被校參考黑體輻射源亮度溫度波動(dòng)度引入的不確定度u44

按照實(shí)際測(cè)量值，溫度為800℃時(shí)，亮度溫度波動(dòng)度為0.5℃，服從均勻分布，區(qū)間半寬度為0.25℃，包含因子則

上述各不確定度互不相關(guān)，測(cè)溫重復(fù)性與分辨力引入的不確定度只考慮其中較大者，因此這里考慮測(cè)溫重復(fù)性引入的不確定度。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)的參考黑體輻射源不需要考慮傳遞用輻射溫度計(jì)短期穩(wěn)定性造成的影響，其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

擴(kuò)展不確定度為

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的參考黑體輻射源，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)和被校，則需要考慮傳遞用輻射溫度計(jì)的短期穩(wěn)定性，其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

擴(kuò)展不確定度為

4 結(jié)論

以黑體輻射源標(biāo)準(zhǔn)裝置為例，介紹了多波長(zhǎng)有效亮度溫度整體溯源的校準(zhǔn)方法，并對(duì)該方法的校準(zhǔn)原理、校準(zhǔn)裝置及相關(guān)性能進(jìn)行了分析。以800℃為例，對(duì)采用比較法進(jìn)行參考黑體輻射源實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)和現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的不確定度評(píng)定進(jìn)行了全面介紹，同時(shí)分析了校準(zhǔn)過(guò)程中可能對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響的因素，現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)需要注意考慮傳遞用輻射溫度計(jì)的穩(wěn)定性引入的影響。

依據(jù)本文介紹的評(píng)定方法，可得出任意溫度點(diǎn)的校準(zhǔn)不確定度，為今后使用比較法開(kāi)展黑體輻射源校準(zhǔn)工作提供了依據(jù)。同時(shí)，采用比較法對(duì)參考黑體輻射源進(jìn)行定期校準(zhǔn)，完善了輻射溫度量傳體系，提高了以參考黑體輻射源為標(biāo)準(zhǔn)裝置的工作用輻射溫度計(jì)，紅外熱像儀校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。