扈又華，郝小鵬，司馬瑞衡，謝臣瑜，宋 健，劉 洋，武 強(qiáng)，楊延龍

(1.成都理工大學(xué) 核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院，四川 成都 610059；2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

1 引 言

隨著紅外光電設(shè)備由軍用領(lǐng)域逐漸被引入民用領(lǐng)域，紅外光電測(cè)量技術(shù)得到了快速發(fā)展,同時(shí)對(duì)于紅外測(cè)量系統(tǒng)要求也越來越高。為應(yīng)對(duì)測(cè)量目標(biāo)多樣化的需求，測(cè)量系統(tǒng)逐漸向大視場(chǎng)、寬動(dòng)態(tài)范圍的趨勢(shì)發(fā)展，這對(duì)相應(yīng)的定標(biāo)系統(tǒng)提出了更高的要求[1,2]。

黑體輻射源作為紅外測(cè)量設(shè)備定標(biāo)系統(tǒng)的主要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接影響定標(biāo)的準(zhǔn)確性[3～5]。目前，黑體輻射源研制技術(shù)已經(jīng)十分成熟，面型黑體由于其本身結(jié)構(gòu)的局限性，使其發(fā)射率相對(duì)于腔型黑體偏低，但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輻射面積可以很大，因此在許多方面得到了應(yīng)用[6,7]。國(guó)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(guó)內(nèi)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(xiàng)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(wù)于一種入射口徑較大的紅外測(cè)量系統(tǒng)，黑體內(nèi)部嵌入8支標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)，其中3支作為控溫溫度計(jì)，5支作為測(cè)溫溫度計(jì)。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(yīng)。該黑體同時(shí)具備真空實(shí)驗(yàn)環(huán)境和大氣實(shí)驗(yàn)環(huán)境的工作特點(diǎn)，使得該黑體的使用范圍更廣。

本文從黑體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手，利用分析軟件計(jì)算得到黑體輻射源的表面發(fā)射率和輻射面溫場(chǎng)均勻性，并實(shí)際測(cè)量了輻射體的相關(guān)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(cè)量系統(tǒng)的使用需求。

2 黑體輻射源設(shè)計(jì)與仿真

2.1 黑體輻射源結(jié)構(gòu)及溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了保證設(shè)計(jì)的面源黑體能夠滿足大口徑、高精度紅外測(cè)量系統(tǒng)的輻射定標(biāo)需求，面源黑體的設(shè)計(jì)指標(biāo)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(shè)計(jì)指標(biāo)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(gòu)，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(dǎo)熱率高的優(yōu)點(diǎn)，但是相比之下，鋁具有密度小、材質(zhì)輕、易于加工的優(yōu)勢(shì)，加工后可以極大減輕面源黑體的總重量，方便搬運(yùn)于不同實(shí)驗(yàn)場(chǎng)合的應(yīng)用。

圖1 黑體結(jié)構(gòu)三維圖Fig.1 Blackbody structure

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

鋁橋?yàn)檎w結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(dǎo)熱脂，保證各組件之間良好的導(dǎo)熱性。在真空實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，鋁橋?qū)⒆鳛槔涠?，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(shí)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(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，為提高輻射面的表面發(fā)射率，將輻射面表面設(shè)計(jì)為四棱錐結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，同時(shí)整個(gè)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(jié)構(gòu)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(shí)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(yùn)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(gè)控溫區(qū)域，每個(gè)區(qū)域呈矩形條狀分布，采用三路控溫方式，每一路均可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控溫，從而實(shí)現(xiàn)溫度的區(qū)域調(diào)節(jié)；在設(shè)定好的控溫傳感器孔位上放置相應(yīng)的控溫溫度傳感器，控溫溫度傳感器將溫度信號(hào)反饋給溫控表，溫控表通過調(diào)整輸出控制信號(hào)，進(jìn)而控制恒流電源為加熱片提供的輸出功率，實(shí)現(xiàn)黑體升溫控制；熱沉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)黑體降溫控制，最終使黑體達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

采用高精度測(cè)溫儀對(duì)黑體接觸溫度進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量分辨率為1 mK；利用串行通信接口RS-232可實(shí)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(cè)溫儀實(shí)物圖見圖4所示。

圖4 黑體實(shí)物圖Fig.4 Blackbody physical image

對(duì)加熱片進(jìn)行功率計(jì)算。為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略黑體表面四棱錐部分，將其作為1個(gè)平面處理；假設(shè)輻射傳熱速率等于單個(gè)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(duì)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(zhì)兩端的溫度差值，K；δ為傳導(dǎo)介質(zhì)的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。通過式(1)計(jì)算得到加熱片的總功率約為240 W。

2.2 發(fā)射率仿真計(jì)算

發(fā)射率計(jì)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(jì)算推理過程復(fù)雜和受輻射面形狀影響較大，現(xiàn)階段很少應(yīng)用；蒙特卡洛方法作為一種隨機(jī)模擬方法，因其受輻射面形狀影響較小而被廣泛應(yīng)用[13]。利用基于蒙特卡洛方法計(jì)算黑體有效發(fā)射率的仿真軟件STEEP3對(duì)輻射面結(jié)構(gòu)進(jìn)行發(fā)射率仿真計(jì)算，經(jīng)計(jì)算，在波長(zhǎng)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(xué)仿真

熱力學(xué)仿真主要針對(duì)真空環(huán)境下的使用情況。利用有限元仿真軟件對(duì)黑體輻射體進(jìn)行熱學(xué)仿真分析。以黑體輻射面為研究對(duì)象，開展了冷辮安裝位置與數(shù)量對(duì)黑體輻射面溫度均勻性影響的分析。仿真預(yù)設(shè)條件列于表3。假設(shè)各冷辮之間的距離是冷辮距離邊緣距離約2倍的關(guān)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(jì)算，得到冷辮數(shù)量為4、9、16個(gè)時(shí)輻射面的溫度，溫度分布圖見圖5所示。溫度均勻性結(jié)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(shè)計(jì)指標(biāo)，同時(shí)盡可能地減輕黑體總質(zhì)量便于真空環(huán)境實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，冷辮的數(shù)量不宜過多，因此冷辮數(shù)量選擇9個(gè)。

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

表4 冷辮對(duì)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(shí)際結(jié)構(gòu)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(guān)系的情況下并非為最優(yōu)解。故對(duì)冷辮安裝位置進(jìn)行了優(yōu)化仿真，仿真結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 面源黑體的發(fā)射率測(cè)量

為進(jìn)一步驗(yàn)證面源黑體的發(fā)射率能否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，需要通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量。在黑體發(fā)射率的測(cè)量中，選用中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院建立的一套基于控制環(huán)境輻射的發(fā)射率測(cè)量裝置[14]，其測(cè)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(zhì)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(jì)在某一波段下探測(cè)到的輻射能量與黑體在該波段下總輻射能相等。假設(shè)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(biāo)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(shí)的輻射能。公式(3)為使用Sakuma-Hattori方程計(jì)算的探測(cè)器輸出。假設(shè)響應(yīng)幅度為1，可將S(T)視為輻射溫度計(jì)接收到的輻射亮度。T為輻射溫度計(jì)溫度值，單位為K。系數(shù)A，B可由探測(cè)器的中心波長(zhǎng)與探測(cè)器波長(zhǎng)響應(yīng)寬度計(jì)算得到，系數(shù)C待定，可通過定標(biāo)結(jié)果擬合得出。

經(jīng)發(fā)射率測(cè)量后，得到10組黑體發(fā)射率測(cè)量結(jié)果,見圖6所示，黑體實(shí)際發(fā)射率平均值約為0.992，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 發(fā)射率測(cè)量結(jié)果Fig.6 Emissivity measurement results

3.2 黑體性能測(cè)試

黑體性能測(cè)試主要分為兩部分，一是在大氣實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件下，測(cè)試黑體不同溫度點(diǎn)的均勻性和穩(wěn)定性；二是在真空實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件下，測(cè)試黑體不同溫度點(diǎn)的均勻性和穩(wěn)定性。5支標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻測(cè)溫溫度計(jì)均勻嵌入黑體內(nèi)，其位置分布如圖7中紅色點(diǎn)位標(biāo)注。

圖7 測(cè)溫溫度計(jì)安裝點(diǎn)位置圖Fig.7 Location of temperature measuring thermometer

對(duì)黑體穩(wěn)定性測(cè)量，將黑體溫度設(shè)置為目標(biāo)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(shí)間段內(nèi)測(cè)溫結(jié)果取極差最大值表示。對(duì)黑體溫度均勻性的計(jì)算為各測(cè)溫點(diǎn)溫度相對(duì)于中點(diǎn)溫度值差值。計(jì)算測(cè)量10組數(shù)據(jù)每組數(shù)據(jù)中各測(cè)溫點(diǎn)相對(duì)于中點(diǎn)溫度的差值，取最大差值作為該目標(biāo)溫度的溫度均勻性。

大氣實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，分別測(cè)量了黑體溫度在310，340，370，400 K時(shí)不同位置測(cè)溫點(diǎn)的接觸溫度值。圖8為中心測(cè)溫溫度計(jì)在不同溫度點(diǎn)10 min測(cè)量結(jié)果。測(cè)得實(shí)驗(yàn)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(cè)溫點(diǎn)的溫度均勻性和穩(wěn)定性(大氣實(shí)驗(yàn)環(huán)境)Tab.5 Temperature uniformity and stability at each temperaturemeasurement point (atmospheric experimental environment)

圖8 大氣實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Experimental results in atmospheric environment

利用中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院(NIM)研制的真空低背景紅外高光譜亮度溫度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置中真空艙系統(tǒng)[15]，為黑體提供10-4Pa的真空測(cè)試環(huán)境，并且真空艙可外接恒溫槽或液氮系統(tǒng)，為測(cè)試提供低溫背景。將黑體放置于真空艙內(nèi)，利用冷辮將鋁橋與真空艙內(nèi)的液氮冷屏連接，如圖9所示,分別測(cè)量黑體在198，250，290，340，400 K溫度下，不同位置測(cè)溫點(diǎn)的接觸溫度值，圖10為中心測(cè)溫溫度計(jì)在不同溫度點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果。測(cè)得實(shí)驗(yàn)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(cè)溫點(diǎn)的溫度均勻性和穩(wěn)定性(真空實(shí)驗(yàn)環(huán)境)Tab.6 Temperature uniformity and stability at each temperature measurement point (vacuum experimental environment)

圖10 真空實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(cè)試得到的黑體各項(xiàng)性能參數(shù)列于表7。測(cè)試結(jié)果表明：研制的大口徑面源黑體滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，具備良好的性能參數(shù)。

表7 黑體性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果Tab.7 Test rusults of blackbody performance parameters

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)研制了一種針對(duì)大口徑紅外測(cè)量系統(tǒng)定標(biāo)工作的面型黑體輻射源。借助現(xiàn)有的仿真計(jì)算模型，在保證黑體性能的同時(shí)極大地縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間。對(duì)黑體的各方面性能進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，測(cè)試結(jié)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(shí)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(shí)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(cè)量系統(tǒng)定標(biāo)工作的同時(shí)，也可擴(kuò)大應(yīng)用范圍，作為紅外探測(cè)設(shè)備的校準(zhǔn)目標(biāo)使用。