三種短黑體空腔的比較研究*

熊玉亭 崔 超 余時(shí)帆 呂 玲 陳奕豪 王 曉

(浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，杭州 310018)

?

三種短黑體空腔的比較研究*

熊玉亭 崔 超 余時(shí)帆 呂 玲 陳奕豪 王 曉

(浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，杭州 310018)

分別設(shè)計(jì)了錐形、楔形和圓柱形三種形狀的黑體空腔，腔體內(nèi)徑為50mm，長(zhǎng)度為50～150mm。三款腔體使用相同的材料加工，并對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行相同的噴漆涂黑處理。將三款黑體腔放置在同一恒溫槽內(nèi)，并用二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)監(jiān)控槽內(nèi)實(shí)際溫度，使用高精度輻射溫度計(jì)測(cè)試其8～14μm波段的亮度溫度，通過(guò)試驗(yàn)和理論計(jì)算篩選出高空腔發(fā)射率(發(fā)射率大于0.995)的腔體作為便攜式黑體計(jì)量爐的內(nèi)部腔體。最后，對(duì)該研究的成果做了總結(jié)，并對(duì)便攜式黑體計(jì)量爐的發(fā)展提出了展望。

便攜式黑體；黑體腔；腔體結(jié)構(gòu)

0 引言

近幾十年來(lái)，紅外測(cè)溫技術(shù)迅速發(fā)展，它在現(xiàn)代軍事技術(shù)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、資源勘測(cè)、氣象預(yù)報(bào)、環(huán)境科學(xué)和食品安全等許多領(lǐng)域中的應(yīng)用日益增多。為了保證紅外測(cè)溫儀在各個(gè)領(lǐng)域中有效、正確的使用，必須對(duì)其進(jìn)行定期的校準(zhǔn)與維護(hù)，以保證其量值的準(zhǔn)確、可靠。

黑體計(jì)量爐作為紅外測(cè)溫儀校準(zhǔn)的主要標(biāo)準(zhǔn)器，其性能直接影響紅外測(cè)溫儀的量值是否準(zhǔn)確[1]。為了適應(yīng)日常送檢的大量紅外輻射溫度計(jì)的校準(zhǔn)需求，以及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)不方便拆卸的在線(xiàn)式紅外測(cè)溫儀的校準(zhǔn)需求，提高對(duì)紅外輻射溫度計(jì)溫度校準(zhǔn)工作的效率，很有必要研制一款升降溫快速、測(cè)溫準(zhǔn)確度高、體積小巧的便攜式黑體計(jì)量爐。

黑體的發(fā)射率和均勻性是評(píng)價(jià)黑體優(yōu)劣的重要指標(biāo)。黑體空腔的幾何結(jié)構(gòu)不同，直接影響黑體的發(fā)射率和均勻性。有別于傳統(tǒng)的、體積龐大的、基于恒溫介質(zhì)的黑體輻射源，便攜式黑體計(jì)量爐的外形小巧，中低溫溫度范圍和半導(dǎo)體片加熱/制冷等特點(diǎn)，對(duì)腔體結(jié)構(gòu)提了來(lái)不同的要求。因此，為找到更小尺寸、更低成本、更高發(fā)射率和更優(yōu)均勻性的便攜式黑體計(jì)量爐腔體，本文將對(duì)其幾何形狀和長(zhǎng)徑比進(jìn)行研究和探討。

1 腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 腔體長(zhǎng)度設(shè)計(jì)

一個(gè)密閉空腔中的輻射就是黑體輻射，但絕對(duì)黑體只是一個(gè)理想的概念，為了從腔內(nèi)取出輻射，需在密閉空腔上開(kāi)一小孔，它就成了實(shí)際黑體。因此，理論上來(lái)說(shuō)黑體腔的腔口越小，腔長(zhǎng)越長(zhǎng)則越少輻射能逸出，黑體腔越接近物理學(xué)的理想黑體模型。但是實(shí)際使用中，為了實(shí)現(xiàn)便攜式黑體計(jì)量爐的便攜性要求內(nèi)部黑體腔尺寸盡量短，因此設(shè)計(jì)腔體長(zhǎng)度為50～150mm的范圍。

1.2 腔口尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，輻射溫度計(jì)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室中600℃以下的中低溫黑體輻射源的腔口尺寸一般在30～60mm。實(shí)際校準(zhǔn)中，當(dāng)測(cè)量目標(biāo)直徑小于30mm時(shí)，一般無(wú)法準(zhǔn)確得到校準(zhǔn)結(jié)果。表1為當(dāng)測(cè)量距離為100～1000mm時(shí)，日常校準(zhǔn)工作中的紅外輻射溫度計(jì)對(duì)測(cè)量目標(biāo)直徑S的最低要求。根據(jù)有關(guān)規(guī)程的要求，腔底(或腔口)的面積要大于測(cè)量目標(biāo)的1.25倍[2]。因?yàn)檩椛錅囟扔?jì)光路是看不見(jiàn)的，若腔底(或腔口)的面積等于或接近測(cè)量目標(biāo)，則實(shí)際校準(zhǔn)中很難確定在什么位置能恰好將光路對(duì)準(zhǔn)。另外，對(duì)于雙激光點(diǎn)瞄準(zhǔn)和環(huán)形激光圈瞄準(zhǔn)的紅外輻射溫度計(jì)，在校準(zhǔn)時(shí)需要較大尺寸的腔口，若腔口過(guò)小則會(huì)影響瞄準(zhǔn)目標(biāo)。因此，黑體腔的腔口尺寸設(shè)計(jì)為50mm是比較符合絕大部分紅外輻射溫度計(jì)對(duì)靶面大小和視場(chǎng)角要求的。

表1 各種紅外輻射溫度計(jì)的測(cè)量目標(biāo)的直徑S mm

1.3 腔體形狀設(shè)計(jì)

中低溫黑體空腔的形狀主要有圓柱形、錐形、圓錐-圓柱形、楔形、球形和雙錐形等[3]。作者從加工制作的難度、內(nèi)部均勻噴漆的難度、等溫均溫加熱的難易程度以及經(jīng)濟(jì)等方面考慮，設(shè)計(jì)了圓錐-圓柱形、楔形和圓柱形三種形狀的黑體空腔，如圖1所示，其中圓錐-圓柱形和圓柱形腔體腔長(zhǎng)為50～150mm，而楔形腔體由于其前部尺寸限制，腔長(zhǎng)為100～150mm。

2 腔體發(fā)射率理論計(jì)算

黑體空腔的發(fā)射率是評(píng)價(jià)其性能的核心指標(biāo)，為了簡(jiǎn)化空腔發(fā)射率的計(jì)算，各國(guó)科學(xué)家提出來(lái)一些近似的計(jì)算方法，本文選擇通過(guò)積分法推倒出的黑體空腔有效發(fā)射率的近似計(jì)算方程[4]來(lái)作為三種腔體的黑體發(fā)射率理論計(jì)算的依據(jù)。

圖1 三種黑體空腔結(jié)構(gòu)圖

(1)

式中：ε2為黑體腔內(nèi)表面的發(fā)射率；R0為腔口半徑；L為腔底瞄準(zhǔn)中心點(diǎn)到腔口的距離。

從式(1)可以看出，黑體發(fā)射率只與黑體腔口半徑、黑體腔底瞄準(zhǔn)中心點(diǎn)到腔口的距離和黑體腔內(nèi)表面的發(fā)射率有關(guān)。腔體內(nèi)部采用在光譜8～14μm范圍內(nèi)發(fā)射率為0.95的進(jìn)口漫反射涂層材料涂黑，通過(guò)式(1)計(jì)算得三種腔體的理論發(fā)射率如表2所示。

表2 三種黑體空腔的理論發(fā)射率

根據(jù)JJG 856—1994《500℃以下工作用輻射溫度計(jì)檢定方法》的要求，黑體輻射源的靶面有效發(fā)射率為0.995～1.005[5]。因此，從表2 可以看出，腔口50mm的圓錐-圓柱形腔體和圓柱形腔體腔長(zhǎng)為80～150mm，楔形腔體腔長(zhǎng)為130～150mm為理論上符合發(fā)射率要求的腔體。

3 腔體發(fā)射率實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

可采用間接測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)三種腔體發(fā)射率進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證步驟如下：

1)將被測(cè)腔體(如圖2)放在溫度均勻的液體恒溫槽中，設(shè)定溫度分別為30℃，50℃和80℃，并用二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)監(jiān)測(cè)水溫。

2)用工作波段為8～14μm的輻射溫度計(jì)HEITRONICS TRTⅡ和TRTⅣ作為傳遞輻射溫度計(jì)[6]，測(cè)黑體腔8～14μm帶寬亮溫，對(duì)照校準(zhǔn)證書(shū)修正后的測(cè)量溫度平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3)將發(fā)射率ε=0.995帶入式(2)得出有效帶寬亮度溫度和黑體溫度Tb的偏差ΔT1。

(2)

式中：T為黑體溫度，K；Tb為三種被測(cè)黑體腔的有效帶寬亮溫，K；l 為工作波長(zhǎng)，m；TAM為環(huán)境溫度，K(實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境溫度恒定為20℃，及293.15K)；c2=1.4388×10-2m·K，為第二輻射常數(shù)。

由于試驗(yàn)的溫度范圍在低溫段，因此需考慮環(huán)境溫度的影響，式(2)是依據(jù)普朗克定律[7]和有效亮度溫度的定義[8～10]得出的。

4)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)測(cè)得的溫度值和輻射溫度計(jì)測(cè)量值之差ΔT2。

5)如果ΔT1≥ΔT2，發(fā)射率指標(biāo)符合(即發(fā)射率大于0.995)；如果ΔT2>ΔT1發(fā)射率指標(biāo)不符合(偏低)。

圖2 實(shí)驗(yàn)用圓柱形黑體腔

使用輻射溫度計(jì)測(cè)量黑體腔帶寬亮溫時(shí)，將其發(fā)射率設(shè)置為1.000，距離腔口φ25mm的光闌0.36m(如圖3所示)。這是因?yàn)椋?)輻射溫度計(jì)測(cè)得的結(jié)果需加修正值使用，故測(cè)試條件同其量值溯源時(shí)的校準(zhǔn)條件保持一致；2)消除傳遞輻射溫度計(jì)輻射源尺寸效應(yīng)(SSE)對(duì)黑體輻射源輻射溫度測(cè)量的影響。

圖3 腔體發(fā)射率實(shí)驗(yàn)

通過(guò)Matlab數(shù)值求解式(2)，已知ε，黑體輻射溫度T，求解黑體腔的亮度溫度Tb，如表3所示?？梢钥闯?，若黑體腔在三個(gè)溫度點(diǎn)的ΔT2分別小于0.09、0.26和0.48，則認(rèn)為黑體腔的發(fā)射率大于0.995。

表3 黑體腔在三個(gè)溫度點(diǎn)的亮度溫度計(jì)算值

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得到三種形狀的腔體不同腔長(zhǎng)的ΔT2見(jiàn)表4～表6。

表4 圓錐-圓柱形腔體不同腔長(zhǎng)的ΔT2值

表5 楔形腔體不同腔長(zhǎng)的ΔT2值

表6 圓柱形腔體不同腔長(zhǎng)的ΔT2值

4 腔體結(jié)構(gòu)選擇

從表4、表5和表6的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：

1)腔口50mm的腔長(zhǎng)為110～150mm的圓錐-圓柱形腔體，腔長(zhǎng)為120～150mm的楔形腔體和腔長(zhǎng)為150mm的圓柱形腔體均為滿(mǎn)足發(fā)射率大于0.995的腔體。

2)三種結(jié)構(gòu)的腔體的亮度溫度與黑體輻射溫度的接近程度由高到低為：錐形腔體>楔形腔體>圓柱形腔體。

3)雖然本驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)在一定程度上會(huì)受到所用輻射溫度計(jì)性能的影響，但三種結(jié)構(gòu)腔體的帶寬亮度溫度均隨著腔長(zhǎng)的增大有逐漸增大的統(tǒng)計(jì)趨勢(shì)。因此，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果應(yīng)該是比較可信的結(jié)果。

5 結(jié)論

本文主要針對(duì)便攜式黑體計(jì)量爐對(duì)內(nèi)部腔體盡量短小的特殊要求，設(shè)計(jì)了錐形、楔形和圓柱形三種形狀的黑體空腔，腔體內(nèi)徑均為50mm，長(zhǎng)度為50～150mm。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，腔長(zhǎng)110～150mm的錐形腔體或腔長(zhǎng)為120～150mm的楔形腔體適用于便攜式的浴式黑體輻射源，腔長(zhǎng)為150mm的圓柱形腔則適用于半導(dǎo)體片加熱制冷式黑體輻射源。

可滿(mǎn)足紅外測(cè)溫儀工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)需求的便攜式黑體計(jì)量爐，以其體積小、重量輕、腔口徑大和發(fā)射率高等優(yōu)點(diǎn)，將會(huì)受到紅外校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室和工廠計(jì)量部門(mén)的歡迎，同時(shí)會(huì)是黑體輻射源的一個(gè)發(fā)展進(jìn)化方向。

[1] 馬蘭,蔡靜.黑體輻射源現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)中若干影響因素的探討[J].工業(yè)計(jì)量,2013,23(3):73-75

[2] 李吉林,肖功弼,等.輻射測(cè)溫和檢定/校準(zhǔn)技術(shù)[M].中國(guó)計(jì)量出版社，2009

[3] 許杰,楊林華,等.低溫電源黑體關(guān)鍵技術(shù)及國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀[J].航天器環(huán)境工程,2011,28(2):151-155

[4] 段宇寧,原遵東,等. 溫度均勻黑體空腔有效發(fā)射率近似計(jì)算方法(黑體輻射源研究之一)[J].現(xiàn)代計(jì)量測(cè)試,2000(4):3-8

[5] JJG 856—1994 500℃以下工作用輻射溫度計(jì)檢定方法

[6] 柏成玉,原遵東,王景輝.傳遞輻射溫度計(jì)性能試驗(yàn)研究[J].計(jì)量學(xué)報(bào),2007,28(3A):109-111

[7] 王鐵軍,原遵東,等.BF-50B黑體輻射源標(biāo)準(zhǔn)裝置的研制[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器,2003,4:23-25

[8] 原遵東,等.有效亮度溫度理論[J].計(jì)量學(xué)報(bào),2009,30(6):493-497

[9] 原遵東,陳桂生.發(fā)射率影響修正近似公式及其適用性分析[J].計(jì)量技術(shù),2013(4):7-10

[10] 李希明,李文軍,等.在中低溫條件下環(huán)境輻射對(duì)光譜發(fā)射率測(cè)量的影響[J].計(jì)量學(xué)報(bào),2014,35(1):10-12

*浙江省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局一般類(lèi)縱向科研項(xiàng)目(20140212)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.12.04