大口徑高發(fā)射率面型黑體輻射源的研制

扈又華，郝小鵬，司馬瑞衡，謝臣瑜，宋 健，劉 洋，武 強，楊延龍

(1.成都理工大學 核技術與自動化工程學院，四川 成都 610059；2.中國計量科學研究院，北京 100029)

1 引 言

隨著紅外光電設備由軍用領域逐漸被引入民用領域，紅外光電測量技術得到了快速發(fā)展,同時對于紅外測量系統(tǒng)要求也越來越高。為應對測量目標多樣化的需求，測量系統(tǒng)逐漸向大視場、寬動態(tài)范圍的趨勢發(fā)展，這對相應的定標系統(tǒng)提出了更高的要求[1,2]。

黑體輻射源作為紅外測量設備定標系統(tǒng)的主要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接影響定標的準確性[3～5]。目前，黑體輻射源研制技術已經(jīng)十分成熟，面型黑體由于其本身結構的局限性，使其發(fā)射率相對于腔型黑體偏低，但其結構簡單，輻射面積可以很大，因此在許多方面得到了應用[6,7]。國外大口徑面型黑體的發(fā)射率普遍在0.99以上,均勻性優(yōu)于0.15 K[8～10]，國內大口徑面型黑體發(fā)射率普遍在0.95以上，均勻性優(yōu)于0.4 K[11,12]。

本文根據(jù)項目要求，研制了輻射面積為400 mm×400 mm的面源黑體輻射源，主要服務于一種入射口徑較大的紅外測量系統(tǒng)，黑體內部嵌入8支標準鉑電阻溫度計，其中3支作為控溫溫度計，5支作為測溫溫度計。溫控方式采用基于PID算法的溫控器，以保證溫度控制的快速響應。該黑體同時具備真空實驗環(huán)境和大氣實驗環(huán)境的工作特點，使得該黑體的使用范圍更廣。

本文從黑體結構設計入手，利用分析軟件計算得到黑體輻射源的表面發(fā)射率和輻射面溫場均勻性，并實際測量了輻射體的相關性能，得到較好的溫度均勻性和穩(wěn)定性，可滿足現(xiàn)行紅外測量系統(tǒng)的使用需求。

2 黑體輻射源設計與仿真

2.1 黑體輻射源結構及溫控系統(tǒng)的設計

為了保證設計的面源黑體能夠滿足大口徑、高精度紅外測量系統(tǒng)的輻射定標需求，面源黑體的設計指標見表1，其中要求黑體的輻射面源口徑大于400 mm，控溫范圍在200～400 K之間，黑體發(fā)射率大于0.988，輻射面溫度均勻性優(yōu)于0.3 K。

表1 設計指標Tab.1 Design specifications

如圖1所示，黑體組成主要包括黑體輻射體、鋁橋、隔熱層、外殼和支撐架構，各組成部件及材料列于表2。在黑體輻射體選材方面，主要有銅和鋁2種，銅和鋁均具有導熱率高的優(yōu)點，但是相比之下，鋁具有密度小、材質輕、易于加工的優(yōu)勢，加工后可以極大減輕面源黑體的總重量，方便搬運于不同實驗場合的應用。

圖1 黑體結構三維圖Fig.1 Blackbody structure

表2 黑體各部件材料Tab.2 Blackbody parts materials

鋁橋為整體結構設計，中間開有圓形孔，減輕總重量。在裝配過程中，加熱片位于黑體與鋁橋之間，其表面均勻涂抹導熱脂，保證各組件之間良好的導熱性。在真空實驗環(huán)境下，鋁橋將作為冷端，通過冷辮連接真空艙中的液氮冷屏(熱沉系統(tǒng))，以此保證真空環(huán)境下的使用要求。

黑體四周均包裹有聚四氟隔熱層，減少黑體四周的熱量損失，同時外層殼體材料選擇不銹鋼，其表面光滑呈鏡面狀，在一定程度上，可減小周圍環(huán)境輻射的影響。

面源黑體的發(fā)射率是設計中的一項重要指標，為提高輻射面的表面發(fā)射率，將輻射面表面設計為四棱錐結構，如圖2所示。沿著平行于輻射面方向看去，輻射面是由一系列V型槽組成的陣列結構，同時整個輻射面表面均勻噴涂了高發(fā)射率涂層，該涂層的發(fā)射率為0.96，可以有效提高面源黑體的發(fā)射率。

圖2 輻射面結構示意圖Fig.2 Radiating surface structure diagram

黑體溫控系統(tǒng)如圖3所示。主要由PID控制表、恒流電源、溫度傳感器、加熱片、熱沉系統(tǒng)等組成。控溫模塊選用了歐陸2704 PID溫控器，它是一種模塊化的可自由組態(tài)的高精度、高性能的溫度及過程控制器，可實現(xiàn)多路控制模式，溫度控制精度為10 mK，將其與恒流電源集成為溫度控制箱，便于運輸。

圖3 溫控系統(tǒng)示意圖Fig.3 The temperature control system diagram

為保證真空環(huán)境下黑體輻射面表面溫度的均勻性，由于輻射面面積較大，將黑體均勻分成3個控溫區(qū)域，每個區(qū)域呈矩形條狀分布，采用三路控溫方式，每一路均可實現(xiàn)獨立控溫，從而實現(xiàn)溫度的區(qū)域調節(jié)；在設定好的控溫傳感器孔位上放置相應的控溫溫度傳感器，控溫溫度傳感器將溫度信號反饋給溫控表，溫控表通過調整輸出控制信號，進而控制恒流電源為加熱片提供的輸出功率，實現(xiàn)黑體升溫控制；熱沉系統(tǒng)實現(xiàn)黑體降溫控制，最終使黑體達到動態(tài)平衡狀態(tài)。

采用高精度測溫儀對黑體接觸溫度進行測量，其測量分辨率為1 mK；利用串行通信接口RS-232可實現(xiàn)與電腦的數(shù)據(jù)傳輸，完成數(shù)據(jù)采集。黑體、溫度控制箱、高精度測溫儀實物圖見圖4所示。

圖4 黑體實物圖Fig.4 Blackbody physical image

對加熱片進行功率計算。為簡化計算，忽略黑體表面四棱錐部分，將其作為1個平面處理；假設輻射傳熱速率等于單個錐尖的輻射傳熱速率，忽略邊緣散熱，作為絕緣層處理。黑體在真空環(huán)境下熱量損失主要有兩種方式，一是表面對外輻射散熱，二是傳熱散熱。由此可得到加熱功率為：

(1)

式中：q為加熱功率；qrad為輻射功率；qcond傳熱功率；ε為黑體各表面發(fā)射率；σ為斯特藩常量，值約為5.67×108W/(m2·K4)；T為黑體表面溫度，K；Tam為環(huán)境溫度，K；A為輻射面面積，m2；ΔT為傳遞介質兩端的溫度差值，K；δ為傳導介質的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。通過式(1)計算得到加熱片的總功率約為240 W。

2.2 發(fā)射率仿真計算

發(fā)射率計算常用方法有積分方程法和蒙特卡洛(Monte Carlo)方法，由于積分方程法計算推理過程復雜和受輻射面形狀影響較大，現(xiàn)階段很少應用；蒙特卡洛方法作為一種隨機模擬方法，因其受輻射面形狀影響較小而被廣泛應用[13]。利用基于蒙特卡洛方法計算黑體有效發(fā)射率的仿真軟件STEEP3對輻射面結構進行發(fā)射率仿真計算，經(jīng)計算，在波長為8～14 μm條件下黑體有效發(fā)射率優(yōu)于0.994。

2.3 熱力學仿真

熱力學仿真主要針對真空環(huán)境下的使用情況。利用有限元仿真軟件對黑體輻射體進行熱學仿真分析。以黑體輻射面為研究對象，開展了冷辮安裝位置與數(shù)量對黑體輻射面溫度均勻性影響的分析。仿真預設條件列于表3。假設各冷辮之間的距離是冷辮距離邊緣距離約2倍的關系，可以獲得較好的溫度均勻性。

表3 仿真條件Tab.3 Simulation conditions

經(jīng)計算，得到冷辮數(shù)量為4、9、16個時輻射面的溫度，溫度分布圖見圖5所示。溫度均勻性結果列于表4，由表4可知：隨著冷辮數(shù)量的增加，輻射面溫度均勻性偏差由138 mK遞減至27 mK，溫度均勻性顯著提升。為保證黑體性能滿足設計指標，同時盡可能地減輕黑體總質量便于真空環(huán)境實驗的進行，冷辮的數(shù)量不宜過多，因此冷辮數(shù)量選擇9個。

圖5 輻射面溫度分布Fig.5 The temperature distribution on the radiation surface

表4 冷辮對輻射面溫度均勻性的影響Tab.4 Effect of cold braids on temperature uniformity of the radiating surface

由于黑體實際結構中存在減重通孔，使獲得的溫度均勻性在冷辮之間距離與冷辮距邊緣距離為2倍關系的情況下并非為最優(yōu)解。故對冷辮安裝位置進行了優(yōu)化仿真，仿真結果顯示，冷辮安裝間距為150 mm，邊緣間距為50 mm的情況下黑體輻射面的溫度均勻性最好，其值為16 mK。

3 黑體實驗結果與分析

3.1 面源黑體的發(fā)射率測量

為進一步驗證面源黑體的發(fā)射率能否滿足設計指標要求，需要通過實驗進行測量。在黑體發(fā)射率的測量中，選用中國計量科學研究院建立的一套基于控制環(huán)境輻射的發(fā)射率測量裝置[14]，其測量不確定度為0.29%(k=2)。

由基爾霍夫定律可知，在平衡狀態(tài)下，物質的吸收率等于發(fā)射率，吸收的能量等于發(fā)射的能量，故輻射計在某一波段下探測到的輻射能量與黑體在該波段下總輻射能相等。假設在該波段下黑體發(fā)射率為常數(shù)，可得到公式(2)[14]：

(2)

(3)

式中：A，B，C為方程的定標系數(shù)；c2為第二輻射常數(shù)，其值為0.014 388 m·K；Iλ,bg為黑體反射環(huán)境輻射能;Bλ(Tbb)為黑體在溫度為Tbb時的輻射能。公式(3)為使用Sakuma-Hattori方程計算的探測器輸出。假設響應幅度為1，可將S(T)視為輻射溫度計接收到的輻射亮度。T為輻射溫度計溫度值，單位為K。系數(shù)A，B可由探測器的中心波長與探測器波長響應寬度計算得到，系數(shù)C待定，可通過定標結果擬合得出。

經(jīng)發(fā)射率測量后，得到10組黑體發(fā)射率測量結果,見圖6所示，黑體實際發(fā)射率平均值約為0.992，能夠滿足設計要求。

圖6 發(fā)射率測量結果Fig.6 Emissivity measurement results

3.2 黑體性能測試

黑體性能測試主要分為兩部分，一是在大氣實驗環(huán)境條件下，測試黑體不同溫度點的均勻性和穩(wěn)定性；二是在真空實驗環(huán)境條件下，測試黑體不同溫度點的均勻性和穩(wěn)定性。5支標準鉑電阻測溫溫度計均勻嵌入黑體內，其位置分布如圖7中紅色點位標注。

圖7 測溫溫度計安裝點位置圖Fig.7 Location of temperature measuring thermometer

對黑體穩(wěn)定性測量，將黑體溫度設置為目標溫度，待溫度趨于穩(wěn)定，1 min記錄1組數(shù)據(jù)，記錄 10 min，得到10組數(shù)據(jù)。溫度穩(wěn)定性由該時間段內測溫結果取極差最大值表示。對黑體溫度均勻性的計算為各測溫點溫度相對于中點溫度值差值。計算測量10組數(shù)據(jù)每組數(shù)據(jù)中各測溫點相對于中點溫度的差值，取最大差值作為該目標溫度的溫度均勻性。

大氣實驗環(huán)境下，分別測量了黑體溫度在310，340，370，400 K時不同位置測溫點的接觸溫度值。圖8為中心測溫溫度計在不同溫度點10 min測量結果。測得實驗數(shù)據(jù)經(jīng)處理得到黑體溫度的均勻性和穩(wěn)定性見表5所示。

表5 各測溫點的溫度均勻性和穩(wěn)定性(大氣實驗環(huán)境)Tab.5 Temperature uniformity and stability at each temperaturemeasurement point (atmospheric experimental environment)

圖8 大氣實驗環(huán)境下的實驗結果Fig.8 Experimental results in atmospheric environment

利用中國計量科學研究院(NIM)研制的真空低背景紅外高光譜亮度溫度計量標準裝置中真空艙系統(tǒng)[15]，為黑體提供10-4Pa的真空測試環(huán)境，并且真空艙可外接恒溫槽或液氮系統(tǒng)，為測試提供低溫背景。將黑體放置于真空艙內，利用冷辮將鋁橋與真空艙內的液氮冷屏連接，如圖9所示,分別測量黑體在198，250，290，340，400 K溫度下，不同位置測溫點的接觸溫度值，圖10為中心測溫溫度計在不同溫度點的測量結果。測得實驗數(shù)據(jù)經(jīng)處理后得到真空下黑體溫度的均勻性和穩(wěn)定性見表6所示。

圖9 安裝示意圖Fig.9 Installation diagram

表6 各測溫點的溫度均勻性和穩(wěn)定性(真空實驗環(huán)境)Tab.6 Temperature uniformity and stability at each temperature measurement point (vacuum experimental environment)

圖10 真空實驗環(huán)境下的實驗結果Fig.10 Experimental results in vacuum environment

由表5、表6可知，黑體處于真空環(huán)境工況下的性能優(yōu)于大氣環(huán)境工況下的性能。真空環(huán)境下，溫度均勻性偏差最小為0.036 K，最大為0.101 K，溫度穩(wěn)定性平均為0.018 K/10 min；大氣環(huán)境下，溫度均勻性偏差最小為0.155 K，最大為0.276 K，溫度穩(wěn)定性平均為0.032 K/10 min。

通過黑體性能測試得到的黑體各項性能參數(shù)列于表7。測試結果表明：研制的大口徑面源黑體滿足設計指標要求，具備良好的性能參數(shù)。

表7 黑體性能參數(shù)測試結果Tab.7 Test rusults of blackbody performance parameters

4 結 論

設計研制了一種針對大口徑紅外測量系統(tǒng)定標工作的面型黑體輻射源。借助現(xiàn)有的仿真計算模型，在保證黑體性能的同時極大地縮短了設計時間。對黑體的各方面性能進行了實際測試，測試結果表明，黑體輻射面有效發(fā)射率為0.992，真空環(huán)境下，溫度在400 K時均勻性偏差最大，為0.101 K，溫度穩(wěn)定性平均值為0.018 K/10 min；大氣環(huán)境下，溫度在370 K時均勻性偏差最大，為0.276 K，溫度穩(wěn)定性平均值為0.032 K/10 min。該面型黑體輻射源在滿足紅外測量系統(tǒng)定標工作的同時，也可擴大應用范圍，作為紅外探測設備的校準目標使用。