高精度輻射熱流計(jì)的不確定度分析與評(píng)價(jià)

鄭翔遠(yuǎn)，葉 新，羅志濤，王闊傳，宋寶奇

（1. 中國科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究, 吉林 長(zhǎng)春 130033；2. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京100049；3. 北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所, 北京100076）

1 引 言

熱流密度是單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積傳遞的熱量，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱量自發(fā)地從高溫部分傳給低溫部分。幾乎所有的工程領(lǐng)域都會(huì)遇到一些特定條件下的傳熱問題。例如，在評(píng)價(jià)鍋爐、制冷機(jī)、換熱器等動(dòng)力裝置的設(shè)備大小、能力和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)時(shí)，就必須進(jìn)行詳細(xì)的傳熱分析；許多新興技術(shù)裝備，如原子反應(yīng)堆的堆芯、大功率火箭的噴管、集成的電子器件和要求重返地面的航天器等，成功的設(shè)計(jì)都必須嚴(yán)密控制傳熱情況，維持合理地預(yù)期工作溫度；航天地面熱試驗(yàn)包括熱平衡測(cè)試、熱真空測(cè)試和熱循環(huán)測(cè)試，通過這些測(cè)試評(píng)價(jià)航天器的合理性和可靠性，故需要對(duì)大熱流密度進(jìn)行準(zhǔn)確地測(cè)量。因此輻射熱流密度的準(zhǔn)確測(cè)量是實(shí)現(xiàn)上述工作的基礎(chǔ)[1-5]。熱流計(jì)是測(cè)量熱流密度的關(guān)鍵元件，1924 年德國的Schmidt 利用纏繞線結(jié)合電鍍形成熱電堆的方式制成了世界上首個(gè)可實(shí)用的熱流計(jì)，隨后在1934年，被Gier 和Boelter 改進(jìn)，制成可用于測(cè)量輻射熱流的熱流計(jì)，即現(xiàn)在的熱阻型熱流計(jì)(Schmidt-Boelter 型熱流計(jì))。1953 年Gardon 提出了圓箔式熱流計(jì)的概念，研制出測(cè)量準(zhǔn)確度為3%的圓箔式熱流計(jì)(Gardon 式熱流計(jì))。1970 年前后，Kendall 等人參考了絕對(duì)輻射計(jì)的研究，研制出一系列量熱型輻射熱流計(jì)，測(cè)量精度進(jìn)一步提高[6-8]。自1934 年熱阻型輻射熱流計(jì)研制以來，輻射熱流測(cè)量技術(shù)已走過近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展歷程，輻射熱流計(jì)的性能在逐漸提高，已成為測(cè)量輻射熱流密度的重要手段。

中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所輻射計(jì)量小組為滿足輻射熱流的精確測(cè)量，開展了一種新型輻射熱流計(jì)的研究工作。該儀器是利用光輻射熱效應(yīng)工作的熱電型探測(cè)器，其錐腔型接收器具有高吸收率、測(cè)量精度高的特點(diǎn)，目前國內(nèi)外的輻射熱流計(jì)基本為涂上高吸收率黑漆的平面接收器，吸收率難以突破0.95，而錐腔型接收器通過圓錐腔內(nèi)表面的黑漆吸收層將光能量多次吸收，吸收率優(yōu)于0.99[9]。儀器工作原理利用光電等效性，通過可精確測(cè)量的電功率復(fù)現(xiàn)入射的輻射光功率，電功率的功率值即為輻射光功率的測(cè)量值，測(cè)量結(jié)果可直接溯源至國際單位制。探測(cè)器采用測(cè)試腔與補(bǔ)償腔對(duì)稱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)水循環(huán)管路，可通入溫度穩(wěn)定的循環(huán)水冷卻熱沉的冷端，解決了輻射熱流計(jì)受環(huán)境溫度影響的難題，提高了儀器的測(cè)量準(zhǔn)確度。

輻射定標(biāo)是研制輻射熱流計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過輻射定標(biāo)可以建立儀器輻射輸入量與儀器電子學(xué)系統(tǒng)輸出之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。高精度的輻射基準(zhǔn)是提升輻射定標(biāo)水平的關(guān)鍵。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）及其下屬的建筑和火災(zāi)研究實(shí)驗(yàn)室（BFRL）在理論研究和標(biāo)定設(shè)備制作兩方面作了大量工作，提出了很多先進(jìn)方法。NIST 在對(duì)薄膜熱流計(jì)的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，以標(biāo)準(zhǔn)圓箔式熱流計(jì)作為二級(jí)傳遞標(biāo)準(zhǔn)，待檢熱流計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度優(yōu)于3%[9-11]。德國航空太空中心（DLR）在對(duì)圓箔式熱流計(jì)和熱阻式熱流計(jì)進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)中，以Kendall MK IX 型輻射熱流計(jì)（量熱型）進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后的圓箔式熱流計(jì)和熱阻式熱流計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度優(yōu)于1%[12-14]。由于待測(cè)儀器的測(cè)量不確定度要優(yōu)于1%，目前熱流測(cè)量技術(shù)無高精度溯源標(biāo)準(zhǔn)，難以滿足輻射熱流計(jì)的高精度定標(biāo)。因此必須對(duì)量熱型輻射熱流計(jì)進(jìn)行輻射定標(biāo)，以保證輻射熱流計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性[15-17]。

針對(duì)輻射熱流計(jì)難以溯源的難題，本文提出基于量熱型輻射熱流計(jì)的可溯源輻射定標(biāo)鏈路，通過測(cè)量同一單色光源實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的傳遞。為實(shí)現(xiàn)輻射熱流密度的測(cè)量，研制了輻射熱流計(jì)樣機(jī)，開展了探測(cè)器研制、熱流計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電替代測(cè)量算法、性能評(píng)估等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

本文主要研究用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下輻射熱流計(jì)的不確定度分析與評(píng)價(jià)。建立了輻射熱流測(cè)量鏈路，評(píng)估測(cè)量不確定度，并與中國計(jì)量科學(xué)研究院檢定過的光陷阱探測(cè)器進(jìn)行直接比對(duì)，對(duì)輻射熱流計(jì)高精度標(biāo)定方法的研究具有重要意義。

2 輻射熱流計(jì)測(cè)量系統(tǒng)工作原理

2.1 輻射熱流計(jì)測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成

圖1 為輻射熱流測(cè)量系統(tǒng)圖。輻射熱流系統(tǒng)由快門、探測(cè)頭部、控制箱、水冷系統(tǒng)組成，并使用 Lab-VIEW 開發(fā)了一系列測(cè)控軟件，實(shí)現(xiàn)熱流密度測(cè)量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及分析等。

圖1 輻射熱流計(jì)系統(tǒng)原理圖Fig. 1 Principle diagram of a radiation heat-flux system

2.2 輻射熱流測(cè)量系統(tǒng)的工作原理

輻射熱流計(jì)工作原理如圖2 所示，該系統(tǒng)的測(cè)量分為兩個(gè)階段，首先通過控制單元對(duì)纏繞在黑體腔外部的加熱絲施加不同的加熱功率使主腔升溫，從而使主腔探測(cè)器與熱沉在導(dǎo)熱路徑上產(chǎn)生溫差，以使導(dǎo)熱路徑上的熱電堆兩端輸出相應(yīng)的熱電信號(hào)。通過施加不同功率，獲取儀器探測(cè)器在響應(yīng)功率下的熱電信號(hào)，并按照插值法建立熱電功率與熱電信號(hào)碼值之間的數(shù)學(xué)模型。

圖2 輻射熱流計(jì)工作原理圖Fig. 2 Schematic diagram of the measurement principle of a radiometric heat-flux meter

在測(cè)量輻射光源時(shí)，入射光通過探測(cè)頭部的主光闌，入射至黑體腔的內(nèi)表面，從而使得黑體腔升溫，使主腔探測(cè)器與熱沉在導(dǎo)熱路徑上產(chǎn)生溫差，并使導(dǎo)熱路徑上的熱電堆兩端輸出相應(yīng)的熱電信號(hào)，待熱電信號(hào)達(dá)到平衡后，該信號(hào)即為被測(cè)光源對(duì)應(yīng)的熱電信號(hào)。結(jié)合第一階段所得數(shù)學(xué)模型，即可計(jì)算出待測(cè)目標(biāo)的輻射熱流密度。

根據(jù)電替代原理，輻射熱流計(jì)通過計(jì)算電功率來獲取輻射功率，本文以熱電碼值的形式對(duì)熱電信號(hào)進(jìn)行采集和處理，最后通過限定通光截面積，實(shí)現(xiàn)輻射功率向熱流密度的轉(zhuǎn)換，見式(1)～(5)。

式中，fdi為衍射效應(yīng)校正因子，fabsor為黑體腔吸收比校正因子，Pstatei、Pstatei+1為自校準(zhǔn)各階段施加的電功率，A為主光闌面積，Rs為響應(yīng)度系數(shù)，R為加熱絲電阻，Ui+1、Ui為被測(cè)光源穩(wěn)定后的加熱電壓，Mtext為被測(cè)光源穩(wěn)定時(shí)的熱電讀數(shù)，Mstatei為自定標(biāo)階段平衡的熱電讀數(shù)。

3 測(cè)量結(jié)果評(píng)價(jià)

3.1 測(cè)量不確定度分析

對(duì)被測(cè)量值進(jìn)行不確定度分析，不確定度越小，所屬結(jié)果與被測(cè)量的真值越接近。當(dāng)測(cè)量結(jié)果受多種因素影響形成了若干個(gè)不確定分量時(shí)，測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度用各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量合成后所得的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度來表征。

3.1.1 測(cè)量不確定度

為求得合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，首先要分析各種影響因素與測(cè)量結(jié)果的關(guān)系，以便準(zhǔn)確評(píng)定各種不確定度分量，然后才能進(jìn)行合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算。測(cè)量結(jié)果的不確定度一般包含若干個(gè)分量，根據(jù)其數(shù)值評(píng)定方法的不同分為A 類（通過統(tǒng)計(jì)分析所作評(píng)定的不確定度）和B 類（由不同于統(tǒng)計(jì)分析所作評(píng)定的不確定度）。A 類不確定度由實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差表征，計(jì)算公式為：

式中xi為被測(cè)量，為被測(cè)量的算數(shù)平均值，n為測(cè)量次數(shù)。

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

測(cè)量結(jié)果的不確定度用合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度（uc）表示，計(jì)算公式為：

由式(5) 可知，該定標(biāo)模型共包含9 個(gè)自變量，各自變量之間相互獨(dú)立，將含有若干測(cè)量分量的被測(cè)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的公式可表示為：

3.1.2 各不確定度分量測(cè)試

式(9)是被測(cè)量熱流密度(E)的最終合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度同各影響量不確定度的關(guān)系。

(1)黑體腔吸收比的不確定度

輻射熱流計(jì)的探測(cè)器屬于錐腔型接收器，其內(nèi)表面的黑漆涂層對(duì)光譜輻射的所有波長(zhǎng)響應(yīng)是中性的。黑體腔吸收比與其形狀和涂層的吸收率有關(guān)，吸收比的準(zhǔn)確測(cè)量將提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性[15]。

搭建如圖3 所示的光路，通過氦氖激光器、起偏器、功率穩(wěn)定器獲得穩(wěn)定的出射光源，經(jīng)過會(huì)聚透鏡使光束入射至積分球入射口中心。入射光經(jīng)過樣品區(qū)的黑體腔或者標(biāo)準(zhǔn)白板反射，在積分球出口被硅探測(cè)器轉(zhuǎn)化為感應(yīng)信號(hào)，使用安捷倫6 位半數(shù)字多用表測(cè)量信號(hào)電壓，通過控制精度為0.01 mm 的一維位移導(dǎo)軌移動(dòng)樣品區(qū)，調(diào)整零位，測(cè)量黑體腔水平方向和垂直方向±3 mm 內(nèi)的吸收率。采集系統(tǒng)每1 s 采樣一次，連續(xù)采樣180 s。吸收比測(cè)量結(jié)果如表1 所示，入射位置偏差測(cè)量結(jié)果如圖4 所示。

圖3 吸收比測(cè)試光路原理圖Fig. 3 Schematic diagram of optical path for absorptance measurement

圖4 黑體腔入射位置偏差測(cè)量結(jié)果Fig. 4 Results of the black body cavity absorptance measurement

表1 吸收比測(cè)量結(jié)果Tab.1 Measurement results of absorptance

測(cè)量數(shù)據(jù)通過式(8) 計(jì)算黑體腔的吸收比。

式中UC為黑體腔信號(hào)電壓，US為標(biāo)準(zhǔn)白板信號(hào)電壓，UB為背景信號(hào)電壓， ρS為 標(biāo)準(zhǔn)白板的反射比。

由式(8) 和式(10) 可得，黑體腔吸收比的合成不確定度為：

根據(jù)不確定度分量和式(11) 計(jì)算得到黑體腔吸收比測(cè)量的不確定度u(Fabsor_t)=7.23×10-5。

黑體腔入射位置偏差如圖4 所示。

計(jì)算黑體腔入射位置各點(diǎn)的不確定度得到u(Fabsor_S)=0.000 344。黑體腔吸收率測(cè)量的合成不確定度為：

(2)主光闌面積的不確定度

量熱型輻射熱流計(jì)需要精密光闌實(shí)現(xiàn)輻射功率向熱流密度的轉(zhuǎn)換，所以光闌面積量的準(zhǔn)確與否直接影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

采用萬能工具顯微鏡對(duì)主光闌進(jìn)行4 次直徑測(cè)量，每次測(cè)量對(duì)應(yīng)主光闌一個(gè)不同的方向，計(jì)算獲得光闌的面積A。測(cè)量結(jié)果如表2 所示。

表2 光闌直徑測(cè)量結(jié)果Tab.2 Measurement results of the aperture’s diameter

由主光闌面積計(jì)算公式，得光闌面積測(cè)量不確定度計(jì)算公式。

測(cè)量主光闌的直徑D時(shí)的不確定度包括：測(cè)量重復(fù)性帶來的不確定度分量u(DS)、溫度穩(wěn)定性帶來的不確定度分量u(DT)、圓度不確定度u(Dr)和萬能工具顯微鏡的傳遞不確定度u(Dm)。

因?yàn)楦鞑淮_定度分量相互獨(dú)立，由式(8)計(jì)算得u(A)= 9 .01×10-9m2，光闌面積的相對(duì)不確定度ur(A)=0.233%。

(3)加熱電壓采樣值的不確定度

加熱電壓采樣值的相對(duì)不確定度u(Ui)包括A 類不確定度和B 類不確定度，其中B 類不確定度包括采樣變換器AD676 測(cè)量分辨率的不確定度u(ADr)，基準(zhǔn)電壓測(cè)量?jī)x器34401A 的傳遞不確定度u(Vrefm)，標(biāo)準(zhǔn)電壓源芯片AD586 的穩(wěn)定度u(VerfT)，A 類不確定度包括的加熱電壓采樣值重復(fù)性u(píng)(ADS)，基準(zhǔn)電壓測(cè)量重復(fù)性u(píng)(Verfs)。測(cè)量結(jié)果如表3 所示。

表3 加熱電壓采樣值的不確定度Tab.3 Uncertainty of the sampling value of the heating voltage

(4)加熱電阻阻值的不確定度

采用四線法測(cè)量加熱電阻阻值，利用已檢定的安捷倫6 位半數(shù)字萬用表34401A 對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，采樣結(jié)果的平均值作為加熱絲電阻阻值。加熱絲電阻的測(cè)量不確定度u(R)包括數(shù)字表測(cè)量分辨率帶來的不確定度u(Rm)，測(cè)量重復(fù)性帶來的不確定度u(RS)，測(cè)量結(jié)果如表4 所示，其中，ur(R)代表相對(duì)不確定度。

表4 加熱絲電阻的不確定度Tab.4 Uncertainty of resistance of the heating wire

(5)熱電采樣碼值的不確定度

Mstatei、Mstatei+1為自定標(biāo)階段平衡的熱電讀數(shù)。其相對(duì)不確定度分別取各測(cè)量階段最后穩(wěn)定值的16 個(gè)熱電采樣碼值，計(jì)算其測(cè)量不確定度。Mtext為測(cè)光源穩(wěn)定時(shí)的熱電讀數(shù)，采集穩(wěn)定后熱電采樣碼值。測(cè)試結(jié)果如表5 所示。

表5 熱電采樣碼值的不確定度Tab.5 Uncertainty of the thermoelectric sampling codevalue

(6)衍射效應(yīng)

光學(xué)儀器的光闌都使光產(chǎn)生衍射，光闌孔徑越小，衍射越大，用實(shí)驗(yàn)來測(cè)定衍射校正很困難，故采用理論計(jì)算的方法推導(dǎo)出衍射效應(yīng)[18]。

輻射熱流計(jì)的衍射效應(yīng)只與光源(Source)、光闌(Aperture)、探測(cè)器(Detector)這3 個(gè)元素結(jié)構(gòu)有關(guān)(示意圖見圖5)，當(dāng)熱流計(jì)測(cè)量待測(cè)熱流源時(shí)，將其光源看作朗博擴(kuò)展光源來計(jì)算其衍射效應(yīng)，在這三元素結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上對(duì)衍射效應(yīng)進(jìn)行分析，統(tǒng)稱為SAD 問題。SAD 結(jié)構(gòu)包含5 個(gè)主要參數(shù)：光源半徑r，光源與光闌的距離ds，探測(cè)器的半徑rd，探測(cè)器與光闌的距離dd，光闌半徑R。根據(jù)光源亮度和SAD結(jié)構(gòu)模型中的5 個(gè)參數(shù)求解衍射效應(yīng)。引入3 個(gè)參數(shù)，見表6，其中vs表示光源對(duì)光闌的張角，vd表示探測(cè)器對(duì)光闌的張角。

圖5 熱流計(jì)衍射效應(yīng)示意圖Fig. 5 Schematic diagram of the diffraction effect on the heat-flux meter

表6 衍射參數(shù)定義Tab.6 Diffraction parameter definitions

在測(cè)量熱流源時(shí)，輻射熱流計(jì)的主光闌屬于限制光闌，其主光闌會(huì)影響光源到探測(cè)器的幾何傳輸路徑，其存在會(huì)使探測(cè)器接收到的輻射通量偏小，利用漸進(jìn)積分方法對(duì)輻射熱流計(jì)的衍射效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算。

幾何光路被阻礙的條件下的衍射效應(yīng)計(jì)算公式為：

總衍射效率即為：

通過Matlab 編寫相應(yīng)的程序，輸入?yún)?shù)，計(jì)算得衍射效應(yīng)為0.999 95。

結(jié)合式(9)將以上9 項(xiàng)參數(shù)的不確定度進(jìn)行合成，計(jì)算得合成不確定度為1.99 W/m2，相對(duì)合成不確定度約為0.26%。

3.2 直接比對(duì)

3.2.1 與標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器比對(duì)

為驗(yàn)證不確定度分析結(jié)果的有效性，將輻射熱流計(jì)樣機(jī)與可溯源至中國計(jì)量科學(xué)院基準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器進(jìn)行了比對(duì)。輻射熱流計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器進(jìn)行功率比對(duì)，但輻射熱流計(jì)的測(cè)量目標(biāo)為熱流密度，需將光闌面積與衍射效應(yīng)的不確定度在測(cè)量結(jié)果中進(jìn)行修正。測(cè)試光路圖如圖6。

圖6 測(cè)試光路示意圖Fig. 6 Schematic diagram of the testing optical path

3.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器采用由中國計(jì)量科學(xué)院檢定的陷阱探測(cè)器作為溯源基準(zhǔn)，輻射熱流計(jì)通過與陷阱探測(cè)器的直接比對(duì)來驗(yàn)證不確定度分析的有效性，實(shí)驗(yàn)流程為：

(1) 使用氦氖激光器發(fā)射波長(zhǎng)為632.8 nm 的激光光束，通過起偏器增強(qiáng)光的偏振度并入射至功率穩(wěn)定器，輸出穩(wěn)定的激光光束。

(2) 光束通過分束鏡分光，反射8%的光入射積分球被硅探測(cè)器接受，監(jiān)視光源的穩(wěn)定性；透過92%光的重復(fù)性在0.03%以內(nèi)，光束經(jīng)過透鏡將光斑直徑匯聚至2 mm 以內(nèi)，通過可調(diào)光闌來遮擋環(huán)境中的雜散光，使光束完全入射至標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器中，由皮安表采集電流數(shù)據(jù)。

(3) 將標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器替換為熱流計(jì)，通過電控制箱對(duì)熱流計(jì)接收到的信號(hào)進(jìn)行采集。

依據(jù)《JJF 1 117-2010 計(jì)量比對(duì)》，用歸一化偏差En評(píng) 定間接比對(duì)結(jié)果，En為:

式中Y1、Y2分別為標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器、待檢輻射熱流計(jì)的功率測(cè)量結(jié)果，k為覆蓋因子，u為Y1、Y2的合成不確定度。

在1 mW 功率下，標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.000 3 mW，輻射熱流計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.007 7 mW；輻射熱流計(jì)的功率測(cè)試結(jié)果為0.979 7 mW，如表7 所示，由中國計(jì)量科學(xué)院所標(biāo)定的陷阱探測(cè)器功率測(cè)量結(jié)果均值為0.988 9 mW，k取2 時(shí)，由式(17)計(jì)算得En=0.60。依據(jù)《JJF 1117-2010 計(jì)量比對(duì)》，歸一化偏差的絕對(duì)值小于1，說明輻射熱流計(jì)測(cè)量不確定度的評(píng)估結(jié)果是有效的。

表7 功率測(cè)試結(jié)果Tab.7 Test results of power

續(xù)表7

4 討 論

在輻射熱流計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的比對(duì)中，本文進(jìn)行的是功率單位的比對(duì)。而輻射熱流計(jì)的測(cè)量目標(biāo)是熱流密度，單位為W/m2,標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的測(cè)量目標(biāo)是功率單位，輻射熱流計(jì)的主光闌會(huì)影響比對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。輻射熱流計(jì)主光闌帶來的面積不確定度和衍射效應(yīng)不確定度在“3.1.2”節(jié)中已進(jìn)行敘述，相對(duì)不確定度分別為0.147%和0.005%，其影響量級(jí)對(duì)于最終指標(biāo)—相對(duì)不確定度0.5%可忽略不計(jì)，因此比對(duì)的測(cè)試結(jié)果是有效的。

5 結(jié) 論

為滿足實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下輻射熱流的高精度定標(biāo)要求，采用自校準(zhǔn)方法確定熱流計(jì)的性能，介紹了輻射熱流測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理。分析了熱流計(jì)自校準(zhǔn)過程中9 項(xiàng)影響量的測(cè)量不確定度和合成不確定度，并與標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器進(jìn)行了直接比對(duì)。在比對(duì)實(shí)驗(yàn)中，輻射熱流計(jì)的測(cè)量目標(biāo)是熱流密度，單位為W/m2，標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的測(cè)量目標(biāo)是功率單位，但輻射熱流計(jì)的主光闌帶來的面積誤差與衍射效應(yīng)誤差量級(jí)較小，不影響輻射熱流計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的比對(duì)結(jié)果，因此比對(duì)測(cè)試的結(jié)果是有效的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該型熱流計(jì)的相對(duì)不確定度優(yōu)于0.26%，與標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的歸一化偏差為0.60，驗(yàn)證了不確定度評(píng)估結(jié)果的有效性。在與標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器比對(duì)中，存在熱流計(jì)的測(cè)量結(jié)果歸一化偏差超過1 的情況，據(jù)分析輻射熱流計(jì)的接收探測(cè)器對(duì)環(huán)境溫度較為敏感，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中可加厚熱流計(jì)的外殼或通入穩(wěn)定的水冷系統(tǒng)，從而降低環(huán)境對(duì)熱流計(jì)的影響，可進(jìn)一步提高其測(cè)量準(zhǔn)確度。本文對(duì)輻射熱流計(jì)高精度的定標(biāo)方法進(jìn)行了具體研究，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和分析對(duì)我國熱流測(cè)量技術(shù)的發(fā)展有著重要意義。