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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，
