CN102090884B - 一种黑体辐射源的腔体装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种黑体辐射源的腔体装置，所述腔体包括第一空腔和第二空腔，所述第一空腔和第二空腔分别设置为圆柱-圆锥形；所述第一空腔的开口处一端为圆柱形空腔，该圆柱形空腔的底部为圆锥形空腔；所述第二空腔的开口处一端为圆柱形空腔，该圆柱形空腔的底部为圆锥形空腔；所述第二空腔的圆柱形空腔内设置有隔热板。本发明黑体辐射源的腔体设计为双圆柱-圆锥的内腔，保证了空腔的温度均匀性；长圆柱-圆锥内腔壁上喷涂高发射率材料形成黑体空腔，保证了在短深度且大口径空腔内获得高的空腔有效发射率；同时，该辐射源适合非实验室环境使用，填补了我国对高准确度红外辐射温度计进行现场校准装置的空白。

Description

一种黑体辐射源的腔体装置

技术领域

本发明涉及黑体辐射源空腔装置，特别是涉及一种黑体辐射源的腔体装置。

背景技术

2003年春季，SARS病毒像一个幽灵悄然降临全国各地，由于人们对其认知度很低，加之该病毒具有非常强的传染性，如不能正确应对，及时控制，后果将不堪设想。同样，2009年在世界范围内出现在甲型H1N1流感病毒，也具有一定的传染性，需要及早发现，及早隔离，及早治疗。

随着人们对传染病毒特点及其传染方式的不断认识，在口岸及人群聚集地筛拣高温个体成了避免传染病毒扩散的最有效的方法。由于传染病毒具有越长时间越近距离接触传染性越强的特点，因此兼有快速及非接触特点的红外温度计的使用成了快速筛拣发烧人体的安全有效的方法。

在抗非典行动期间我国进口了大约200,000台红外温度计。随着红外温度计在机场、车站、商场等地的大量应用，如何对红外温度计进行校准，尤其是对一些经过改制、在现场固定安装的温度计进行现场校准就显得非常重要。这就需要红外温度计校准装置来用于现场校准红外温度计，因此便携、在非实验室环境使用及满足要求的校准精度成为需求的重点。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种黑体辐射源的腔体装置，满足便携、在非实验室环境使用及满足要求的校准精度的红外温度计校准装置的需要。

（二）技术方案

为达到上述目的，本发明的技术方案提供一种黑体辐射源的腔体装置，所述腔体包括第一空腔和第二空腔，所述第一空腔和第二空腔分别设置为圆柱-圆锥形；所述第一空腔的开口处一端为圆柱形空腔，该圆柱形空腔的底部为圆锥形空腔；所述第一空腔的圆柱形空腔的内壁上喷涂高发射率材料，形成黑体空腔；所述第二空腔的开口处一端为圆柱形空腔，该圆柱形空腔的底部为圆锥形空腔；所述第二空腔的圆柱形空腔内设置有隔热板，形成封闭空腔。

上述黑体辐射源的腔体装置中，所述第二空腔的圆柱形空腔的长度小于所述第一空腔的圆柱形空腔的长度。

上述黑体辐射源的腔体装置中，所述第二空腔的圆柱形空腔内设置有一层或多层隔热板。

上述黑体辐射源的腔体装置中，还包括沿所述腔体径向设置在所述第一空腔和第二空腔之间的第一安装孔和第二安装孔，所述第一安装孔内安装有温度控制器，所述第二安装孔内安装有测温传感器。

（三）有益效果

上述技术方案中黑体辐射源的腔体设计为双圆柱-圆锥的内腔，保证了空腔的温度均匀性；长圆柱-圆锥内腔壁上喷涂高发射率材料形成黑体空腔，保证了在短深度且大口径空腔内获得高的空腔有效发射率；第二空腔较短的尺寸及多层隔热板设计，有效地减小了整个空腔的尺寸，有利于便于携带的目的；同时，该辐射源适合非实验室环境使用，填补了我国对高准确度红外辐射温度计进行现场校准装置的空白。

附图说明

图1是绝对黑体空腔模型；

图2是常见实用黑体空腔形状；

图3是本发明实施例的黑体辐射源的腔体装置中的腔体结构示意图；

图4是BF-50B黑体辐射源标准装置原理图；

图5是BF-50B黑体辐射源控制系统图；

图6是黑体辐射源工作在30℃时的控温稳定性图；

图7是黑体辐射源工作在38℃时的控温稳定性图；

图8是黑体辐射源工作在50℃时的控温稳定性图；

图9是黑体空腔温度在30℃时的轴向温场分布图；

图10是黑体空腔温度在40℃时的轴向温场分布图。

其中，1：入射辐射；2：第一空腔；3：第二空腔；4：第一隔热板；5：第二隔热板；6：第一安装孔；7：第二安装孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

热辐射是以电磁波传递的能量。只要物体的温度高于零开尔文（0K），物体总是不断地把热能变为辐射能，向外发出热辐射。

当热辐射的能量辐射到物体的表面时，和可见光一样，也发生吸收、反射、和穿透现象。当投射到物体表面的辐射能量全部被物体吸收且没有反射和穿透现象时，我们称该物体为绝对黑体，简称黑体。黑体辐射遵循一定的规律，普朗克定律给出了黑体辐射出度

与波长和温度的关系，由此我们可以通过获得已知波长λ下的辐射出度M，进而得到温度。

$M_{\mathrm{\λT}}^0=\frac{c_1{\mathrm{\λ}}^{-5}}{e^{c_2/\left(\mathrm{\λT}\right)}-1}$

辐射温度计一般由光学系统、探测器和信号处理装置组成。辐射温度计通过光学系统对准被测目标，将从被测目标发射出的能量汇聚到探测器上产生电信号，再通过信号处理装置将电信号转换成数字信号给出。我们一般称工作于红外波段的辐射温度计为红外温度计。

红外温度计对测量距离D及被测目标大小S有一定的要求，因此校准红外温度计用的实用黑体辐射源都要求其口径满足温度计对目标的要求。

红外温度计校准时，通常是用红外温度计对准温度已知的标准黑体辐射源进行测量，将辐射源的温度传递到被校红外温度计。

接近于物理学绝对黑体的黑体空腔模型如图1所示。

由于绝对黑体空腔模型在空腔表面的开孔非常小，所以由小孔进入空腔的辐射光在空腔内经多次反射后再由小孔射出的能量小到可以忽略不计。由于红外温度计及其他应用对象都要求黑体具有一定尺寸的开口，因此实用黑体由腔口反射出的能量是不能忽略的。

常见的实用黑体空腔形状见图2。

考虑到利于加工，容易获得均匀温场，目前最常用的形状是图2（a）所示的圆柱形空腔及图2（b）所示的圆柱-圆锥形空腔。当空腔内壁是理想的漫反射面时，圆柱形与圆柱-圆锥形结构的整体性能非常相似。但由于空腔内壁很难保证没有镜面反射，因此目前大多实用黑体空腔都选择了图2（b）的形状。

本发明实施例中，黑体辐射源的腔体装置的空腔设计为圆柱-圆锥形结构。如图3所示，腔体包括第一空腔2和第二空腔3，第一空腔2和第二空腔3分别设置为圆柱-圆锥形；第一空腔2的开口处一端为圆柱形空腔，该圆柱形空腔的底部为圆锥形空腔；第二空腔3的开口处一端为圆柱形空腔，该圆柱形空腔的底部为圆锥形空腔；第一空腔2的圆柱形空腔的长度大于第二空腔3的圆柱形空腔的长度。

第一空腔2的圆柱形空腔的内壁上喷涂高发射率材料，使第一空腔2形成黑体空腔；在本实施例中，优选采用发射率为0.96的高发射率材料。高发射率涂料的性能直接影响黑体空腔的结构与性能，涂料的发射率越高，将能在同样空腔有效发射率要求条件下，使空腔口径与深度的比越大，实用性越强。

第二空腔2的圆柱形空腔内还设置有若干个隔热板，在本实施例中，包括两个隔热板，设置在圆柱形空腔靠近圆锥形空腔位置处的第一隔热板4和设置在圆柱形空腔端部的第二隔热板5。

为满足常用红外温度计、热像仪及红外体温筛检仪的分度需求，第一空腔2和第二空腔3口径设计为60mm，根据空腔有效发射率的设计要求及选用的高发射率涂料的发射系数，通过计算确定第一空腔2长度为180mm，第一空腔2和第二空腔3腔底锥角为120°，主要是为了将空腔内壁可能的镜面反射分量对空腔发射率的影响降到最小。

实用黑体空腔除应具有经过设计的空腔形状和高发射率的内壁外，空腔内壁还应有一个趋于均匀的温度分布。为获得等温的黑体空腔，常用的均温方式有三种：(a)将空腔放入恒温液体槽以获得均匀温场；(b)使用等温热管以获得均匀温场；(c)选用高导热系数的金属块（依据使用温度不同选用不同的金属）作为均热材料以获得均匀温场。

只要温度范围许可，恒温液体槽通常能够得到较理想的温场均匀性。但液体槽不便于携带，且受液体槽限制，通常情况下空腔开口方向不能调整，不适用于对航空口岸等地固定安装的温度计的校准；在30℃～50℃温度范围，热管也是一个较理想的均热方式，但一方面由于当时特殊时期对加工周期的严格要求，另一方面，均热热管的布网方式、充液量均考虑了热管的使用方式，当热管使用偏离设计条件时（如将热管倾斜放置），热管的均热性能将大打折扣。因此当校准现场固定安装的红外温度计时，热管并不十分理想。

对于30℃～50℃的温度范围这一特定的设计要求，高导热系数的紫铜或铝通常被用来做均热材料；由于温度范围与使用时的环境温度偏离不大，通过加热功率布置及其它一些设计上的考虑，很容易获得较好的温场均匀性。

本发明实施例的BF-50B黑体辐射源的黑体空腔采用紫铜作均热材料，结构设计见图3所示。

本实施例中，第一空腔2口径为60mm，总深度，即圆柱形空腔和圆锥形空腔的总长度之和为180mm，底部的圆锥形空腔的腔底锥角120°。腔体外经83mm，总长280mm。为了获得好的温场均匀性，空腔使用导热系数较好的紫铜材料制成。加热器被均匀布置于空腔外部，因此腔底前后越长，腔底前部的等温段将越长，同时，腔底与侧壁的温差也越小。由于辐射源主要用于现场校准，所以在保证基本技术指标的前提下便于携带是对其提出的另一个要求。为减小体积，在第一空腔2后部的第二空腔中设计了若干块隔热板以减小第一空腔2底部向后的辐射换热，使得第一空腔2后部以较短的长度保证第一空腔2底部与侧壁的温度均匀。在靠近第一空腔2腔底处，在第一空腔2和第二空腔3之间沿腔体径向设置了两个安装孔，第一安装孔6用于安装温度控制器，本实施例优选控温铂电阻；第二安装孔7用于安装测温传感器，本实施例优选测温铂电阻，温度控制器和测温传感器用于对控温仪进行校准或使黑体辐射源获得更高温度准确度。

为对辐射源的性能有更全面的掌握，一台辐射源的腔体侧壁从前后沿轴向分别钻了两个直径4.2mm，深150mm的孔，用来测量黑体空腔的轴向温场分布。

对于30℃～50℃这一温度范围，使用电加热膜加热通常是较理想的加热方式。一方面由于加工周期长，无法短时间内满足课题的需求；另一方面，加热膜一旦设计加工完成，功率分布将无法调整，因此在考虑方案时放弃了这一选择。

BF-50B黑体辐射源的黑体空腔选择的加热方式是使用电热丝加热。但在设计时须考虑下面因素：

a.加热功率。加热功率过大容易造成升温时的超调，增加温度稳定所需时间，同时还影响控温性能；功率过小同样影响控温性能，同时还会使升温过慢，降低效率。BF-50B的加热功率是这样选择的：首先建立黑体腔的传热模型，通过分析计算得出一个理论上的加热功率，然后给出一个适当的余量。再经过实验进行优化调整，通过控制系统的限制功能对加热功率进行适当限制，最终给出一个合适的加热功率。

b.电绝缘。由于腔体选用紫铜做均热材料，加热丝与腔体的电绝缘是需要着重考虑的。一方面出于安全考虑电绝缘必须绝对可靠；另一方面又要考虑加热丝与腔体间不能有过大的热绝缘。这里我们首先在腔体表面薄薄地涂了一层导热硅橡胶，然后包上一层厚0.04mm，具有良好导热性与电绝缘性的聚酰亚胺薄膜，在薄膜外缠上直径0.3的铁铬铝电热丝，最后在丝外覆上一层普通硅橡胶，目的是固定加热丝，同时又起一定的保温效果。

c.加热功率分布。腔体结构见图3，由于靠近空腔口部向外部的散热大于空腔底部，通常情况下，靠近空腔口处的功率密度应稍大于空腔底部，以避免空腔口部温度与腔底温度出现较大偏差。但由于设计的使用温度范围仅为30℃～50℃，与环境温度相差不大，BF-50B采取了加热功率均匀分布于整个腔体外部的方式，预计不会对温场带来太大影响，后来的温场测试也验证了这一点。加热丝从腔口一端开始，每圈间隔约3mm，沿轴向均匀缠绕至另一端。加热丝均匀布置也使得制作时容易保证制作工艺水平，使得每台黑体间的系统差降低。

d.保温。大多数电热设备都需要进行保温处理，黑体辐射源也不例外，目的是节省能源、保证电测系统的正常使用温度、降低对周围环境的影响及调整温场。但由于BF-50B仅使用在30℃～50℃温度范围，其使用温度与环境温度的温差很小，一方面功率消耗很小，造成的周围环境的温升也不会明显降低控制系统的性能；另外，好的保温在这一温度范围将大大增加温度控制的难度，降低控温精度；同时，好的保温将使辐射源降温缓慢，降低使用时的效率。BF-50B没有进行特别的保温处理，只是在加热丝外涂敷了一层硅橡胶，目的是固定加热丝，同时又起一定的保温效果。

BF-50B黑体辐射源标准装置原理如图4，由于黑体源需用于现场校准，不希望再使用另外的标准器及二次表，同时现场环境条件难以控制，因此我们选用了日本SHIMADEN公司最高精度的控制仪表SR253作为温度调节器，一方面该仪表0.1%的精度可以保证黑体源的精度满足校准常用红外辐射温度计的精度要求，另一方面，该仪表受环境影响（环境温度、电源变化）明显小于其它低精度仪表。图中的铂电阻温度计（PRT）既是控温元件，又是标准器。

BF-50B温度控制系统见图5，温度控制器选用日本岛电公司的SR253，SR253测量置于腔底附近的三线制Pt100控温铂电阻的温度，通过PAC15P与MAX15晶闸管调节加热器的输出功率，从而实现对黑体空腔的温度控制。系统中使用了两个事件继电器EV1和EV2。事件继电器EV1用于超温报警，EV2用于加快降温速度，提高工作效率。当黑体温度高于55℃时，EV1动作，加热器供电被中断，同时散热风扇启动，使黑体空腔强制降温；当新的设定温度低于当前温度0.5℃及以上时EV2动作，供电电源被切断，同时散热风扇启动，使黑体腔快速降温。当空腔温度低于设定温度0.2℃时，风扇停止，供电接通。

由于控温仪要求使用三线制电阻，因此引线电阻将影响电阻温度的测量。在保证铂电阻温度计能够方便拆装的前提下，应尽量缩短引线长度，并使引线长度（引线阻值）接近，以保证测温的准确与一致。

控温稳定性是黑体辐射源的一个重要性能指标。首先，黑体辐射源具有稳定的温度，才可能对被检温度计进行有效分度；其次，黑体辐射源具有稳定的温度，才能对温场均匀性进行准确测量，进而对空腔有效发射率进行有效评价。我们对200305007#黑体辐射源分别在30℃、35℃、38℃、42℃和50℃进行了30分钟的控温稳定性实验，实验通过插在黑体腔底面测温孔中的铂电阻温度计测得，记录间隔时间1分钟，辐射源30分钟控温稳定性优于0.01℃。为更加直观，图6、图7、图8给出了30℃、38℃、和50℃时的控温稳定性图。

靶面温场均匀性是黑体辐射源的一个重要指标，实验使用分辨率0.1℃的红外辐射温度计（MX4PC/No.9999）对多台辐射源的靶面温场进行了测试，测量位置分别为空腔底部的上、下、左、右和中央。下表是红外温度计对4台BF-50B黑体辐射源在38℃时温场均匀性的测量结果。

表一

测量位置	中	上	下	左	右
						200305066	38.6	38.6	38.5	38.5	38.5
200305048	38.6	38.6	38.6	38.6	38.6
						200305047	38.6	38.6	38.6	38.6	38.6
200305036	38.5	38.5	38.5	38.5	38.5

由结果看出，使用0.1℃分辨率的红外温度计几乎无法测出腔底温度差，但也说明腔底温度均匀性优于0.05度。

为了获得黑体空腔的轴向温场，在空腔侧壁沿轴向钻了一个直径4.2mm的孔，使用直径4mm的铂电阻温度计沿轴向拉动。由于空腔是紫铜材料，具有很好的导热性能，且测温孔距空腔壁面仅4mm，因此我们用孔内温场代替空腔内壁温场。首先将铂电阻置于腔底位置，待输出稳定后读取阻值；然后将铂电阻向腔口移动5mm，待数值稳定后记下阻值；依次测出孔内各位置的温度。图9和图10分别给出了温度在30℃和40℃时从空腔底向腔口115mm的轴向温场。

由于黑体辐射源需用于现场校准，因此环境温度对其温度准确度的影响是必须考虑的。我们分别选择了200305066和200305033二台黑体辐射源进行环境温度影响实验，它们使用的控温仪分别是日本岛电公司精度为0.1%的SR253与精度为0.3%的FP93，实验在10℃、20℃、30℃和35℃四个环境温度下进行。首先将编号为200305066的BF-50B黑体辐射源置于温湿度箱中，22#测温铂电阻插入黑体空腔底部的测温孔中，引线从温度箱引出接在Keithly2000数字表上以测量腔底温度。将辐射源温度设定在38℃，然后将温湿度箱温度设为10℃，当箱内温度到达设定温度并稳定30分钟后记录腔底测温孔中22#铂电阻的温度。随后依次记下另三个环境温度下的腔底温度。按同样方法对200305033进行实验，结果见表二、表三所示。

表二为200305066#环境温度影响实验结果，表三为200305033#环境温度影响实验结果。

表二

环境温度(℃)	10	20	30	35
					腔底温度(Ω)	114.7948	114.7960	114.7965	114.8041
ti-t20/(℃)	-0.003	--	0.001	0.021

表三

环境温度(℃)	10	20	30	35
					腔底温度(Ω)	114.7420	114.7863	114.8419	114.875
ti-t20/(℃)	-0.114	--	0.144	0.229

由上面结果看出，SR253精密调节器受环境温度影响明显小于FP93。

由以上实施例可以看出，黑体辐射源的腔体的腔底采用双圆锥设计，增大了腔底与圆柱筒的接触面，有利于圆柱外层向腔底的传热，减小腔底与圆柱腔体的温度差；双圆锥腔底适当内置有利于减小圆柱体温度不均匀性的端部效应的影响，改善黑体空腔部分特别是腔底及其附近的温度均匀性；短圆柱-圆锥腔内置一至多层金属板具有辐射屏蔽作用，实现空腔后端的准绝热设计，基本上消除腔底向后侧的热辐射，进一步减小腔底与圆柱腔体的温度差。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种黑体辐射源的腔体装置，其特征在于，所述腔体包括第一空腔和第二空腔，所述第一空腔和第二空腔分别设置为圆柱-圆锥形；所述第一空腔的开口处一端为圆柱形空腔，该圆柱形空腔的底部为圆锥形空腔；所述第一空腔的圆柱形空腔的内壁上喷涂高发射率材料，形成黑体空腔；所述第二空腔的开口处一端为圆柱形空腔，该圆柱形空腔的底部为圆锥形空腔；所述第二空腔的圆柱形空腔内设置有隔热板，形成封闭空腔。

2.如权利要求1所述的黑体辐射源的腔体装置，其特征在于，所述第二空腔的圆柱形空腔的长度小于所述第一空腔的圆柱形空腔的长度。

3.如权利要求1所述的黑体辐射源的腔体装置，其特征在于，所述第二空腔的圆柱形空腔内设置有一层或多层隔热板。

4.如权利要求1所述的黑体辐射源的腔体装置，其特征在于，还包括沿所述腔体径向设置在所述第一空腔和第二空腔之间的第一安装孔和第二安装孔，所述第一安装孔内安装有温度控制器，所述第二安装孔内安装有测温传感器。

Images