李 準，李 強，郝小鵬，謝臣瑜

（中國計量科學(xué)研究院，北京 102200）

0 引言

近年來，隨著紅外技術(shù)的迅速發(fā)展，紅外探測設(shè)備被廣泛應(yīng)用于空間遙感、資源勘探以及氣象監(jiān)測預(yù)警等領(lǐng)域，如目前在軌運行的風(fēng)云衛(wèi)星系列、資源衛(wèi)星系列、高分衛(wèi)星系列等，均搭載了相應(yīng)的紅外探測設(shè)備[1-4]。在利用紅外設(shè)備探測目標之前，必須對其進行光譜輻射定標，獲取其光譜響應(yīng)特性。在中遠紅外（3～14μm）波段內(nèi)，普遍采用黑體輻射源作為標準定標光源[5-6]，根據(jù)普朗克定律[7]，黑體的光譜輻射度是波長和溫度的函數(shù)，這為紅外探測設(shè)備輻射定標的量值溯源提供了理論依據(jù)[8]。

常用的黑體輻射源根據(jù)輻射面結(jié)構(gòu)的不同，一般分為腔型黑體和面型黑體。腔型黑體具有發(fā)射率高，溫度均勻性好等特點，適用于實驗室作為標準黑體定標輻射源。面型黑體的輻射面源大，適宜作為外場觀測設(shè)備的定標輻射源[9]?，F(xiàn)階段，為滿足國內(nèi)大孔徑、寬視場紅外探測設(shè)備的輻射定標需求，必須研制大尺寸的面型黑體輻射源，覆蓋紅外設(shè)備的光學(xué)孔徑，提高紅外設(shè)備的輻射定標精度。

黑體輻射源自身的輻射精度主要受溫度控制精度影響，對于面源黑體，須保證輻射平面內(nèi)溫度的均勻性，而大尺寸面源黑體隨著面型尺寸的增大會增加溫度均勻控制的難度[10]，這對溫控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能以及溫控系統(tǒng)與面源黑體的匹配提出了較高的要求。

為滿足外場大口徑紅外測量設(shè)備的輻射定標需求，研制了一套直徑為1.2 m的大尺寸面源黑體，其溫度范圍為263～353 K。為滿足溫度均勻性的要求，在計算該面源黑體熱負荷的基礎(chǔ)上，設(shè)計了與該面源黑體匹配的制冷系統(tǒng)，提出了配套溫控系統(tǒng)的精密溫度調(diào)控方案，并對面源黑體的溫度穩(wěn)定性進行了試驗驗證。

1 外場1.2 m口徑低溫面源黑體系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成及布置

研制的外場1.2 m口徑低溫面源黑體系統(tǒng)主要包括溫控系統(tǒng)和黑體輻射源兩大部分，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 面源黑體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of non-pointsource in black body

圖1中溫控系統(tǒng)主要包括制冷盤管和黑體加熱膜等溫度控制部件，黑體輻射源是儀器測量的主體部分，為圓柱結(jié)構(gòu)，除外部殼體和支撐部件外，還包括干燥氣幕、輻射體（黑體、黑體加熱膜）等，可放置在車載轉(zhuǎn)臺上。前端蓋內(nèi)部包含輻射體及干燥氣幕，后端蓋通過管路與控制機箱相連。控制機柜為方體結(jié)構(gòu)，包括控溫電路、制冷系統(tǒng)等，外部配有顯示屏幕。通過控制機柜前面板的顯示屏，可調(diào)節(jié)輻射體溫度。兩大部分分別通過數(shù)據(jù)線和密封管路進行數(shù)據(jù)和控溫介質(zhì)的交換。

1.2 黑體溫控系統(tǒng)

采用外置恒溫槽將黑體溫控系統(tǒng)的冷卻和加熱介質(zhì)通過循環(huán)泵輸送到黑體輻射板的背面，以實現(xiàn)黑體輻射板的降溫和升溫，再利用黑體輻射板上的控溫系統(tǒng)，實現(xiàn)黑體的精準控溫。黑體溫控系統(tǒng)包括制冷和加熱系統(tǒng)兩部分。制冷系統(tǒng)采用閉式節(jié)流方式制冷，主要由壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器等組成[11-12]，如圖2所示，用銅管將各個部件按一定順序連接成一個封閉系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)充注一定量的制冷劑，通過閉式循環(huán)達到連續(xù)制冷的目的。

圖2 制冷系統(tǒng)及工作流程圖Fig.2 Refrigeration system and work process

采用電加熱器對加熱系統(tǒng)的恒溫槽內(nèi)部液體進行加熱，以次級控溫系統(tǒng)為輔調(diào)節(jié)加熱量，實現(xiàn)對輻射板的次級加熱控溫。

2 低溫面源黑體配套溫控系統(tǒng)

2.1 低溫面源黑體系統(tǒng)熱負荷計算

首先計算黑體系統(tǒng)的熱負荷，以便對所需要的制冷量、加熱量以及循環(huán)泵的流量、管徑等進行相應(yīng)的設(shè)計。為降低黑體輻射源與外界環(huán)境的熱交換，在輻射源體背面采取了隔熱措施，以提高控溫精度。假設(shè)除輻射面外其他面均為絕熱狀態(tài)。具體計算過程如下：

（1）降溫過程

a.黑體鋁基材降溫需要的冷量為：

式中：ρ鋁為黑體鋁基材密度，kg/m3；V鋁為黑體鋁體積，m3；c鋁為黑體鋁基材比熱容，J/（kg·K）；t鋁為黑體鋁降溫前溫度，K；t0鋁為黑體鋁降溫后溫度，K；?t鋁為其降溫前后溫差，K。

則所需冷量Q鋁為2.23 kW。

b.對流換熱需要的冷量為：

式中：h對流為自然對流系數(shù)，取25 W/（m2·K）；A對流為對流換熱面積，m2；t對流為對流換熱前溫度，K；t0對流為對流換熱后溫度，K。

則所需冷量Q對流為0.57 kW。

c.輻射換熱需要的冷量為：

式中：ξ取1；σ為斯特藩-玻耳茲曼常數(shù)，取5.67×10-8W/（m2·K4）；A輻射為輻射換熱面積，m2；T1為換熱前輻射面溫度，K；T2為換熱后輻射面溫度，K。

則所需冷量Q輻射為0.12 kW。

d.恒溫槽內(nèi)油介質(zhì)降溫需要的冷量為：

式中：ρ油為油介質(zhì)密度，kg/m3；V油為油介質(zhì)體積，m3；c油為油介質(zhì)比熱容，J/（kg·K）；t油為油介質(zhì)降溫前溫度，K；t0油為油介質(zhì)降溫后溫度，K；?t油為其降溫前后溫差，K。

則所需冷量Q油為0.53 kW。因此，

所需要的總制冷量為Q'總冷=3.45 kW。

需要說明的是，在上述計算中，未考慮管道輸運和熱傳導(dǎo)等損失的熱量，而該損失一般占總制冷量的30%～50%，因此，為保證制冷量滿足實際需求，其他損失取最大系數(shù)0.5，即Q'總冷為5.18 kW。

（2）升溫過程

同理，可以計算當(dāng)黑體溫度高于環(huán)境溫度323 K，系統(tǒng)在90 min內(nèi)完成升溫過程的熱負荷。

a.黑體鋁基材升溫需要的熱量Q鋁=2.23 kW。

b.對流換熱需要的熱量Q對流=1.41 kW。

c.輻射換熱需要的熱量Q輻射=0.41 kW。

d.恒溫槽內(nèi)油介質(zhì)升溫需要的熱量Q油=0.87 kW。

總熱量Q'總熱=4.92 kW。

同樣采用最大系數(shù)0.5，則總加熱量Q'總熱=7.38 kW。

另外，由于黑體系統(tǒng)為車載形式，從可靠性和適用性方面考慮，采用臥式制冷壓縮機。

2.2 精密溫度調(diào)控系統(tǒng)

精密溫度調(diào)控系統(tǒng)主要包括溫度控制硬件系統(tǒng)、系統(tǒng)控制算法和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。

（1）溫度控制系統(tǒng)硬件組成及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

溫度控制器由觸摸顯示屏、PLC可編程控制器、控溫儀表、溫度傳感器、制冷系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)等6部分組成。當(dāng)溫控系統(tǒng)工作時，溫度傳感器檢測恒溫槽體內(nèi)部的溫度，傳感器的輸出信號被送入控溫儀表，控溫儀表根據(jù)與設(shè)定值的差值，輸出加熱功率。同時，PLC控制器會接收到溫度信號，將此溫度與事先設(shè)定的溫度進行比較。根據(jù)比較的結(jié)果，調(diào)節(jié)制冷系統(tǒng)輸出冷量的大小從而改變恒溫槽內(nèi)部溫度。這樣便形成了閉環(huán)控制系統(tǒng)。此外，觸摸顯示屏可指示恒溫槽內(nèi)部的設(shè)定溫度和實時溫度，以便對槽體溫度進行監(jiān)控。PLC控制器采用Panasonic AF?PX-C38AT和AFPX-COM4通訊模塊，該控制系統(tǒng)具有3 001步以上、基本指令0.58μs/步、繼電器+晶體管混合型輸出，可滿足多種需求。

采用Pt100陶瓷鉑電阻溫度計作為溫度傳感器，引線為四線制，準確度為A級。鉑電阻傳感器用特殊的材料和工藝制造，具有高穩(wěn)定性和耐振動性。

控溫儀表采用SHIMAX UP93智能0.1級96段可編程調(diào)節(jié)器，無超調(diào)雙自由度PID算法，8組PID參數(shù)和輸出限幅，11點PV值補償，AT自整定，手/自動切換，采樣周期50 ms。控溫精度高，溫度控制準確。

（2）系統(tǒng)控制算法

系統(tǒng)通電啟動后，首先完成硬件電路、觸摸顯示屏、執(zhí)行機構(gòu)的初始化工作。之后，通過觸摸屏設(shè)置控溫點及每個控溫點需要保持的時間。系統(tǒng)會自動比較各個控溫點，按照從低溫點到高溫點的方向進行溫度控制。系統(tǒng)的控制流程如圖3所示，B表示溫度值波動連續(xù)≤±0.005 K的次數(shù)，E表示在計時過程中溫度值波動＞±0.005 K的次數(shù)。

圖3 系統(tǒng)控制流程圖Fig.3 Flow chartof system control

系統(tǒng)正常工作時，必須實時計算溫度測量值（PV）與當(dāng)前控溫目標值（SV）之差（PV-SV）。

當(dāng)PV-SV＜-3 K時，快速加熱器啟動，通過PLC控制，制冷機關(guān)機，冷量輸入變?yōu)?；滿足條件-3 K≤PV-SV≤-2 K時，停止快速加熱；

當(dāng)PV-SV＞-2 K時，加熱器全部關(guān)閉，冷量100%輸入，滿足條件-3 K≤PV-SV≤-2 K時，切換電磁閥，降低冷量輸入；系統(tǒng)進入PID調(diào)節(jié)狀態(tài)。

3 低溫面源黑體溫度均勻性保證措施

溫度均勻性是低溫面源黑體的重要評價指標。為確保黑體溫度均勻，從控制和材料方面采取了多項措施。在溫度控制方面，采用SHIMAX UP93智能可編程調(diào)節(jié)器控制循環(huán)槽內(nèi)溫度，由于黑體表面積大，不同部位自然對流導(dǎo)致的漏熱量不同，因此采用多部位控溫的方法來保證黑體溫度的均勻性?？刂屏鞒虉D如圖4所示，溫度傳感器將不同部位的溫度數(shù)據(jù)傳送到UP93可編程調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器將該溫度值與設(shè)定溫度值進行比較，優(yōu)化PID控制后輸出溫度控制信號對黑體溫度進行控制。同時根據(jù)初步控制結(jié)果對控制參數(shù)進行調(diào)整優(yōu)化以達到溫度均勻性要求。

圖4 溫度控制流程圖Fig.4 Flow chartof temperature control

采用在背部粘貼加熱片的方式加熱黑體。由于整個黑體輻射體的加熱面積比較大，一段控溫方式很難使加熱區(qū)域的溫度快速均勻上升，故將加熱面劃分為如圖5所示的主加熱區(qū)、附1加熱區(qū)和附2加熱區(qū)3個區(qū)域，采用三路加熱電源并在每個加熱區(qū)放置控溫溫度計，以保證溫度的均勻性。

圖5 加熱區(qū)域劃分示意圖Fig.5 Schematic diag ram of heating area division

采用聚酰亞胺加熱片加熱。該加熱片是薄膜狀的加熱材料，能可靠地與被加熱物體良好接觸，減小傳熱阻力；加熱片導(dǎo)熱效果好，在加熱過程中不會損壞；同時加熱片比較薄，方便包裹在保溫材料內(nèi)；加熱片的輻射熱損失很小，加熱效率可達90%以上；此外該加熱片可以連接高精度的溫度控制器，達到預(yù)期精度的溫度控制。

為進一步保證黑體面源的溫度均勻性，在其外部包裹了熱阻很大的保溫材料。該保溫材料表面采用玻纖鋁箔防水層，可有效防水保溫，內(nèi)部為高密度橡塑吸熱棉，熱阻大，隔熱效果好，增強了黑體面源溫度均勻性。

4 低溫面源黑體溫度穩(wěn)定性及均勻性驗證

4.1 溫度穩(wěn)定性驗證

通過上述熱負荷計算和配套溫控系統(tǒng)設(shè)計，研制出外場1.2 m口徑低溫面源黑體系統(tǒng)，并搭建了測試裝置。將黑體輻射源溫度分別設(shè)定為263 K、273 K、283 K、293 K、303 K、313 K、323 K、333 K、343 K、353 K，每個溫度測10次，每次持續(xù)30 min，用輻射溫度計連續(xù)測溫1 h。對面源黑體溫度穩(wěn)定性的測量驗證結(jié)果如表1所列。由表1可知，在上述控溫溫度下，最大標準偏差為0.073 K，最大極差為0.190 K，面源黑體系統(tǒng)溫度穩(wěn)定在0.190 K以內(nèi)，符合±0.200 K的溫度穩(wěn)定性設(shè)計要求。

表1 外場1.2 m口徑低溫面源黑體溫度穩(wěn)定性測量結(jié)果Tab.1 Tem perature stabilitym easurem ent resu ltsof 1.2 m diam eter low tem perature extended area blackbody

4.2 溫度均勻性驗證

將黑體輻射源溫度分別設(shè)定為263 K、273 K、283 K、293 K、303 K、313 K、323 K、333 K、343 K、353 K，每個溫度保持30 min，用溫度計測量輻射體不同位置的溫度，共9個測溫點，如圖6所示。對面源黑體溫度均勻性的測量驗證結(jié)果如表2所列。由此可知，在上述控溫溫度下，面源黑體系統(tǒng)溫度均勻性均在±0.60 K以內(nèi)，符合±0.80 K的溫度均勻性設(shè)計要求。

圖6 輻射體上的測溫點分布示意圖Fig.6 Distribution of temperature measuring points on radiator

表2 外場1.2 m口徑低溫面源黑體溫度均勻性試驗結(jié)果Tab.2 Tem perature uniform itym easurem ent resu ltsof 1.2 m diam eter low tem perature extended area b lackbody

5 結(jié)論

成功研制了用于外場試驗的1.2 m口徑低溫面源黑體系統(tǒng)，計算的總熱負荷為12.56 kW，設(shè)計的配套制冷系統(tǒng)及其精密控溫方案能夠保證系統(tǒng)正常運行。經(jīng)試驗測試，面源黑體溫度穩(wěn)定性達到±0.2 K，溫度均勻性達到±0.60 K，滿足設(shè)計和實際使用要求。