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1、国防军工热学、流量计量与测试技术交流会论文专集 4 9 大口径标准黑体辐射源 芦静华,刘刚,杜海辉 ( 北京振兴计量测试研究所,北京1 0 0 0 7 4 ) 摘 要:介绍了一种新型的大口径热管黑体,可以作为各种红外成像系统的光源,并就其结构组成、系统设 计、系统关键技术以及所采用的技术措施、作了详细的说明和分析。 关键词:黑体;辐射源;热管 O引言 近年来随着红外技术的发展,大面积辐射源( 面 源黑体) 的应用越来越多,如红外焦平面阵列探则器、 红外凝视成象系统及红外辐射测温系统等的检测都需 要各种大面积辐射源。对于大面积辐射源,从结构上划 分,总体上可以分为两类,一类是平板式面辐射源,另
2、一类是大口径黑体空腔辐射源。国内研制生产面辐射源 的单位有电子部1 1 所、上海技术物理所,国外生产面源 黑体的厂商有美国的E O 公司、M I K K I O N 公司和以色列 的C I 公司等,所有厂家的黑体结构都大致相同,他们所 给出的有效辐射面温度均匀性比较高,但根据我们的实 测结果,其辐射面温度均匀性没有这么理想。 为了提高面源黑体的表面发射率,很多厂商把黑 体表面制成V 形槽同心环表面和六棱锥形的蜂窝状表 面,由于这种形状成了一定的程度的腔体效应,相应 提高了面辐射源的面发射率。我国上海技术物理所、 美国的M I K K I O N 公司、E O 公司及R E Y T A K 公司
3、等研 制了此类黑体,E O 公司还研制了蜂窝状黑体,但这种 技术也存在一定问题,由于V 形槽同心环和蜂窝状的 边缘和底部的传热结构不同,当在背面给其加热时, 边缘和底部就产生了一定的温差,正是由于要减少这 种温差,V 形槽同心环和蜂窝状六棱锥又不能制作的 太深,这又限制了发射率的提高,克服这些缺点的最 好途轻,就是制作大口径黑体辐射空腔,以提高发射 率和辐射面的均匀性,英国的E A L I N G 公司、美国的 N I S T 和海军实验室、我国国家计量院和航天5 0 2 所都 研制了大口径常温黑体,当腔长与径之比大于5 时, 一般黑体底部的温度均匀性可达O 1 5 左右,大口径 黑体的缺点就
4、是体积大,不易搬运,一般都作实验的 标准。辐射面的材料必须采用导热率高的金属( 一般 采用铜) ,有一定的厚度,通过金属的传热达到辐射面 温度均匀的目的,如果采用热管作辐射面或辐射腔体, 其热导率要比铜提高了3 个数量级,用热管制作辐射 源要比用金属材料通过电阻加热制作辐射源,温度均 匀性能要优越得多。 由于热管高导热的特性,2 0 世纪7 0 年代末国内外 一些科研人员纷纷用它来制作黑体辐射源,以使辐射 源有很好的温度均匀性。德国的P T B 、英国的N P L 、 俄罗斯的国家计量研究院分别用热管来制作黑体辐射 标准,取得了很好的效果,但有文献记载的均为高温 热管。在8 0 年代中期,我国
5、国家计量院、辽宁计量技 术研究所、哈尔滨工业大学和航天科工集团三院3 0 3 所等单位分别先后研制出了高温热管黑体( 钠、钾、 铯) 作为黑体辐射标准。 综合上述各种形式的优点,研制具有V 型同心环 腔底的短腔、大E l 径热管黑体。利用热管导热率高的 特点,使V 型同心环边缘和底部的温度均匀性好。利 用短腔加V 型同心环腔体结构,使腔底形成二次空腔 效应,提高了黑体的发射率,也进一步提高了腔底的 温度均匀性,在结构上缩小了黑体辐射源的体积,便 于搬运,即可以作为实验室的标准,又可作为试验现 场的测试设备。 1 装置的组成及结构原理 大口径热管黑体为立式热管黑体,此黑体即可以 作为向上的立式黑
6、体,经大口径镀金反射镜后,在水 平方向产生同等口径的黑体辐射,可以代替卧式黑体。 其热管黑体的工作原理是在外胆的腔底贴有加热元件, 上部为散热冷凝段,工质在加热段变为蒸汽态,在冷 凝段成为液态,通过管芯靠重力或网芯的毛吸力回流 到加热段,再次被加热成为蒸汽态,这样反复循环使 工质运动,达到传热的目的。此外,在外胆及加热薄 膜的外部,包有保温层,以减少热量的损耗,热管黑 体的腔底有测温孔,内有精密铂电阻,高精度控温仪 作者简介:芦静华( 1 9 6 0 一) ,女,高级工程师,从事温度计量 测试技术研究。 5 0 计测技术2 0 0 8 年第2 8 卷增刊 可以完成整套黑体的控温并使其温度达到稳
7、定。大口 径热管黑体及控温装置组成见图1 。 图1 大口径热管黑体及控温装置 2 主要技术措施 2 1 工质、管壳和管芯的选择 考虑到热管的整体性能,鉴于工质、管芯( 或毛细 结构) 、管壳是热管设计的三要素,我们作出如下的选择: 1 ) 工质 最初选择是氨或丙酮,但是根据大口径和薄壁管 材的问题,基于安全性的因素,又根据各种工质性能, 我们选择了庚烷。氨的沸点低,汽化潜热大,在室温 下可以达到汽化推动力,达到非常好的温场均匀性, 缺点是气体压强高,对管壳强度有一定的要求。丙酮 在室温段的传热没有氨好,但它的饱和蒸汽压低,工 作安全。庚烷兼有两者的优点。庚烷、氨、丙酮的性 能如表1 所示。 表
8、1庚烷、氨、丙酮的性能比较 工质熔点 大气压下的沸点 使用的温度范围 氨 一7 83 36 0 一十1 0 0 丙酮 一9 5+ 5 70 + 1 2 0 庚烷 一9 0+ 9 80 + 1 5 0 通常热管工质的充装量比浸满管芯所需的工质量 稍多一些。当体积不大时,有过量液体与产生不凝结 气体的情况很类似,在冷凝段上会出现显著的温度梯 度,从而降低热管性能,若热管工质缺少,则由于管 芯不能充满工质而不能进行有效循环。 2 ) 热管管芯 选择了一层不锈钢丝网作管芯,目的是使丝网紧 贴管壳并使回流的液态工质均匀,并且,此管芯和工 质庚烷是相容的,庚烷对不锈钢腐蚀小,浸润性好, 毛细力大。其管芯的
9、主要作用是产生毛细压差,把工 质从冷凝段输送到蒸发段,此外还必须能把液体分布 到蒸发段上可能吸热的任何范围内。热管黑体在轴向 上,主要是靠工质蒸发和重力回流的循环传递热量, 而在径向上主要是靠工质的蒸发和毛细回流的循环传 递热量。使工质在管芯产生的最大毛细压差随毛细孔 的减小而增加,而渗透率则随着毛细孑L 增大而增加, 故管芯的选择是两者的折中,在常温段,通常使用液 态有机工质,在这种情况下,它直接影响了热管的传 热能力和热阻。 3 ) 管壳 其作用是把工质与外界隔开,因此要防漏、耐压 并能向工质传热以及把工质的热量传出。并根据材料 的耐压和相容,因此我们选择了l C r l 8 N i 9
10、T i 不锈钢。 热管内的蒸汽压力是确定管壳厚度的重要因素, 由于此热管黑体口径较大,鉴于安全因素未选择氨和 丙酮,而是选择了庚烷作工质,这就为管壳厚度提供 了略宽一些的技术条件。 管壳的形状结构直接影响黑体温度的面均匀性和 黑体有效发射率占,为了增加辐射面的发射率,特对其 腔底的形状结构和黑体有效发射率占作了相关性计算, 根据计算结构,对腔底的形状结构作了再次的取舍和 确定,所确定的腔底结构为V 型槽同心环。 2 2 保温层的处理 为使热管黑体控温温度保持在一定的温度下,本 项目采用了的硅酸铝和绝缘胶木板作隔热处理和支撑。 2 3 散热与通风 通常为了使黑体迅速降温,在其热管的冷凝段加 半导
11、体致冷并且将降温热量通过散热片和风扇迅速散 发出去,但是,目前我们所作的黑体,为常温黑体, 由于口径大,散热量亦大,要想将热量保持住,因此 无须用特定的方式来散热与通风,只靠内腔腔壁热量 的耗散,就可以使保温及散热达到动态平衡。 2 4 立式结构的考虑 由于黑体口径太大,腔长较短,如果采用卧式结 构,由于环境空气对流的影响,势必在黑体腔底垂直 方向上的温场就形成一个明显的温度梯度,若将卧式 结构立过来,可以利用环境空气同层温场接近的特点, 再在黑体出口加装不同口径的光栏,这样可以遮掉部 分腔壁温场对黑体温场均匀性总体的影响,使其黑体 温场均匀性达到较佳的效果,又不影响黑体有效发射 率占,所加装
12、的大口径镀金4 5 0 反射镜( 光圈N = 1 ) , 国防军工热学、流量计量与测试技术交流会论文专集 5 l 可以使黑体代替卧式结构黑体使用,又可以作为立式 结构的黑体使用。 2 5 控温部分 温度传感器为经过筛选的精密铂电阻。控温仪采用模 糊控温方式,系统温度可以稳定在到小数点后第三位。 3 黑体有效发射率8 和黑体腔底温场温度均匀 性及辐射温度不确定度的估算 3 1 显示温度不确定度 黑体显示温度表示黑体腔底有效辐射面温度。它 是由浸在工质中的测温管里的A 级铂电阻P t l 0 0 测量。 黑体辐射面的辐射温度和工质中P t l 0 0 铂电阻的温度 有一定的不同,需要进行校准。其校
13、准方法是用铜一铜 镍热电偶在黑体腔底中心测量的温度作为校准温度。 在1 0 0 0 C 之内,热电偶不确定度约为0 2 5 ,P t l 0 0 铂 电阻测温的不确定度约为0 1 5 + 0 0 0 2 t ,t 为摄氏度 表示的温度值。在1 0 0 内,折算出P t l 0 0 的最大测温 不确定度为0 3 5 。控温仪显示温度的不确定度为 0 1 F s + 0 1 。在1 0 0 之内,折算出最大不确定度 为0 2 。最后可算出扩展不确定度为O 5 。 3 2 黑体有效发射率确定 关于V 型槽同心环辐射面的发射率可以通过两种 方法确定,一种是实测方法;另一种是计算方法,计 算方法由于黑体
14、的大空腔和小的锥形空腔的二次效应, 计算起来非常复杂,用M o n t e C a r l o 方法算出其有效发 射率占0 9 9 5 ,由中国计量科学研究院对该黑体进行 校准,有效发射率占I 0 9 9 5 。 3 3 温场均匀性 是通过E A L I N G 公司的扫描辐射计及光学系统测 量的,因为是测量温场,是相对测量,温差小于2 , 黑体温差测量不确定度主要原因是由扫描辐射计温差 测量不确定度引起的。 4 结束语 我们研制了两台不同规格的大口径、短腔长,腔 底具有V 型槽同心环的组合热管黑体,解决了多种红 外成象系统的大口径光源问题,通过实验室的校准, 即可以在实验室使用,又可以到外场
15、使用。 参考文献 1 张蓉,吴德华,孙德功8 0 3 4 5 K 连续调腔型黑体 J 环境技术,1 9 9 7 ,( 1 ) :1 8 2 4 2 李松明微型黑体辐射源 J 红外与激光工程, 1 9 9 7 ,2 6 ( 2 ) :5 1 5 3 p q ,、对净p 啮、妒、p p 吣、o p 吣声吨,、o p 崎,、妒、妒、p 咕沪啮p h 妒、p 、p p q p 、s 、声p 崎、妒码斗峙,芦p 、矿吣, 吣声p 咕、譬p 毡声吣p 、妒p 吨p 、s p 、一、p 、p 啮妒噜、a p ( 上接第4 8 页) 式中:A 是只与波长有关而与温度无关的检定常数, 它与该波长下探测器的光谱响
16、应率、光学元件透过率、 几何尺寸以及第一辐射常数有关;占( A ;,T ) 为温度r 的目标光谱发射率;c :为第二辐射常数;A ;为该通道 有效波长;T 为目标真温。 对于有n 个通道的多波长温度计来说,共有站个 方程,却包含n + 1 个未知量,即目标真温丁和, 个 光谱发射率占( A i ,丁) ,如果不在理论上或实验上找出 它们之间的关系,此问题难以解决。 在多波长辐射测温学领域被普遍承认的一种假设 是认为光谱发射率随波长的变化而变化,可表达如下: 占( A ) 可以用含有n 1 个可调参数的波长函数代替, 对于凡个不同波长下的辐射通量进行测量,因而可以 解出1 , 一1 个可调参数以及目标真温r 。 多光谱高温测量的方法也还主要处在实验室研究 阶段,在火焰温度测量方面研究比较多。由于这种方 法属于非接触测量方法,因此比较适合高温旋转部件 的温度测量。为了保证有足够的的响应特性,