CN102607711A - 便携式双波段热红外辐亮度计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式双波段热红外辐亮度计，包括有光学单元、机械结构单元和外围数据采集单元，机械结构单元有液氮存储仓，有冷却作用，光学单元的所有器件都安装在一个圆形紫铜板平台上，光束通过光学单元，最后中心波长5μm的光束交流信号被InSb探测器接收，中心波长10μm的光束交流信号被HgCdTe探测器接收，两探测器将接收的光束交流信号传到放大电路和锁相放大器，交流信号通过放大电路和锁相放大器放大后传到数据采集器，在PC电脑上显示相应的电压值，经计算得到温度值。本发明对接触式温度计测量黑体辐射温度进行修正，提高了信噪比，将黑体辐射温度的测量精度降到0.2K以内。
Description
技术领域
本发明属于光辐射定标领域定标仪器，具体是用于常温黑体（200—400）K的光辐射定标的定标仪器。
背景技术
定标常温黑体辐射温度的传统方法是直接使用多个接触式温度计测量黑体腔的温度作为黑体实际辐射温度。然而，由于黑体腔实际发射率、温度梯度、温度分布均匀性以及接触式温度测量缺陷等因素导致黑体腔测量温度与实际辐射温度之间存在一定的误差，一般都在0.2K以上，甚至更大，这势必对黑体的精度带来一些误差。
发明内容
本发明目的就是为了克服已有技术的缺陷，提供一种能提高测量常温黑体辐射温度精度的便携式双波段热红外辐亮度计。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种便携式双波段热红外辐亮度计，包括有机械结构单元、光学单元和外围数据采集单元，所述的机械结构单元包括有上真空仓体、下真空罩和液氮存储仓，所述的上真空仓体包括有液氮进口管和液氮出口管，在所述的上真空仓体侧壁上开有抽真空接口、高、低真空规管接口和电气接口，所述的液氮存储仓在上真空仓体内部并焊接在液氮进口管和液氮出口管上，有一侧支撑从侧面固定液氮存储仓，在液氮存储仓的下面有一主制冷面板，该主制冷面板与一紫铜板平台固定连接，所述的光学单元的所有元器件都安装在所述的紫铜板平台上，所述的光学单元包括孔径光阑和管状光阑组，光束经过所述的孔径光阑和管状光阑组直接入射到前方镀金平面镜上，镀金平面镜将光束反射到镀金平面镜下方的主离轴抛物镜，主离轴抛物镜将光束反射出去，经过两个消杂光光阑并会聚在位于两个消杂光光阑后侧的视场光阑处，在视场光阑的前侧放置一斩光器，当斩光器的斩光叶片打开时，光束经过孔径光阑到达次离轴抛物镜，当斩光器的斩光叶片合上时，光束被斩光叶片反射到杂散光收集器中，所述的杂散光收集器有一锥形的黑体腔，其中到达次离轴抛物镜的光束被次离轴抛物镜反射并会聚后到达分色片，波长小于5.5μm的光束被分色片反射，后经过滤色片一被位于滤色片一后侧的InSb探测器接收，波长大于7μm的光束直接透过分色片经过滤色片二被位于滤色片二后侧的HgCdTe探测器接收；所述的光学单元外面罩有一屏蔽罩，所述的下真空罩罩在屏蔽罩的外面并与所述的侧支撑连接，从而使上真空仓体和下真空罩相连，所述的下真空罩侧壁上开有一通孔，一ZnSe窗口固定在通孔上，所述的通孔的位置要使通过ZnSe窗口的光束能进入到光学单元中的管状光阑组和视场光阑中；所述的外围数据采集单元包括有前放电路盒，所述的前放电路盒内是放大电路，与放大电路输出端依次相连接的有锁相放大器、数据采集器和PC电脑，放大电路的输入端通过机械结构单元中的电气接口分别与光学单元中的InSb探测器和HgCdTe探测器的输出端相连接。
本发明的特征还在于：所述的所有的光学镜片均采用以下方式固定：所述的所有的光学镜片均采用以下方式固定：包括镜架机座和镜片压片，所述的镜架机座是一个L形板，所述的L形板的竖直面的上部为半圆弧形，在竖直面的外侧以所述半圆弧形的圆心为中心开有一凹槽，将所要固定的光学镜片放入凹槽内，在所述凹槽的底部开有若干螺纹通孔一，分别有若干与所述螺纹通孔一相匹配的调节螺丝从所述竖直面的内侧拧进螺纹通孔一内且调节螺丝的长度大于螺纹通孔一的深度，从而调节螺丝的端部将顶住光学镜片，使光学镜片与凹槽底部之间有空隙，在凹槽的周边开有若干螺纹通孔二，所述的镜片压片为一环形板，在环形板的圆周上开有与螺纹通孔二相对应的螺纹通孔三，分别有若干与螺纹通孔三相匹配的压紧螺丝将镜片压片和镜架机座固定连接，从而将凹槽内的光学镜片固定的卡在凹槽内，在每个压紧螺丝上都套有一弹簧，弹簧在压紧螺丝与镜片压片之间，通过拧动调节螺丝，来调节光学镜片的位置和角度；所述的上真空仓体的顶端有一吊耳；所述的液氮出口管连接有压力表组件；所述的紫铜板平台是圆形的，且各元器件与圆形紫铜板平台之间都涂有导热脂；所述的主制冷面板与紫铜板平台之间涂有导热脂并通过8个螺栓连接；所述的ZnSe窗口的有效通光口径为Φ54毫米，远大于视场光阑和孔径光阑的尺寸；所述的斩光器的工作频率为46.40Hz，稳定性为±0.003Hz；所述的滤色片一的中心波长为5μm，带宽为1μm，滤色片二的中心波长为10μm，带宽为1μm；所述的管状光阑组、斩光器、次离轴抛物镜、InSb探测器和紫铜板平台上分别贴有温度传感器；所述的ZnSe窗口通过螺栓组与通孔连接，中间垫有密封圈；所述的上真空仓体与下真空罩之间垫有密封圈；所述的下真空罩的底部边缘开有8个Φ12毫米的固定孔；各器件的供电及信号传输都通过一个55头的芯座与外部设备连接；所述的液氮存储仓能存储约15L的液氮；所述的屏蔽罩内表面涂有红外吸收层。
本发明的优点是：采用了非接触式黑体绝对辐射温度测量方法，避免了接触式温度计测量误差大的缺陷，从而对接触式温度计测量黑体辐射温度进行修正，提高了信噪比，将黑体辐射温度的测量精度降到0.2K以内。
附图说明
图1是本发明光学单元的结构示意图。
图2是本发明机械结构单元的示意图。
图3是本发明的应用方案的系统示意图。
图4是本发明中各光学镜片的固定方式剖视图。
图5是本发明的最小二乘法拟合的黑体温度和信号关系曲线图。
具体实施方式
一种便携式双波段热红外辐亮度计，包括有机械结构单元、光学单元和外围数据采集单元，所述的机械结构单元如图2所示，包括有上真空仓体20、下真空罩36和液氮存储仓24，所述的上真空仓体20包括有液氮进口管18和液氮出口管21，在上真空仓体20的顶端有一吊耳17，液氮出口管21还连接有压力表组件19，能对液氮存储仓24的压力实时监测，防止由于仓内压力过大发生事故；在所述的上真空仓体20侧壁上开有抽真空接口22，高、低真空规管接口23和电气接口25，所述的液氮存储仓24在上真空仓体20内部并焊接在液氮进口管18和液氮出口管21上，有一侧支撑26从侧面固定液氮存储仓24，液氮存储仓24能存储约15L的液氮，在液氮存储仓24的下面有一主制冷面板27，该主制冷面板27通过8个螺栓28连接着一圆形的紫铜板平台1，主制冷面板27与紫铜板平台1之间涂有导热脂，所述的光学单元29的所有元器件都安装在所述的紫铜板平台1上，紫铜板平台1与各元器件之间也涂有导热脂，能有效的冷却光学器件，所述的光学单元29如图1所示，包括孔径光阑2和管状光阑组3，光束经过所述的孔径光阑2和管状光阑组3直接入射到前方镀金平面镜4上，镀金平面镜4将光束反射到镀金平面镜4下方的主离轴抛物镜5，主离轴抛物镜5将光束反射出去，经过两个消杂光光阑6并会聚在位于两个消杂光光阑6后侧的视场光阑7处，在视场光阑7的前侧放置一斩光器8，该斩光器8的工作频率为46.40HZ，稳定性为±0.003HZ，光束在会聚前经过所述的斩光器8变成特定频率的交流信号，当斩光器8的斩光叶片打开时，光束经过视场光阑7到达次离轴抛物镜10，当斩光器8的斩光叶片合上时，光束被斩光叶片反射到杂散光收集器9中，所述的杂散光收集器9有一个类似正锥黑体的腔，其中到达次离轴抛物镜10的光束被次离轴抛物镜10反射并会聚后到达分色片11，波长小于5.5μm的光束被分色片11反射，后经过中心波长为5μm带宽为1μm的滤色片一12被位于滤色片一12后侧的InSb探测器13接收，波长大于7μm的光束直接透过分色片11经过中心波长为10μm带宽为1μm的滤色片二14被位于滤色片二14后侧的HgCdTe探测器15接收；所述的光学单元29外面罩有一屏蔽罩32，该屏蔽罩32内涂有红外吸收层，能有效的吸收内部杂散光和阻止外部辐射对光学系统的干扰，所述的下真空罩36罩在屏蔽罩32的外面并通过螺栓组31与所述的侧支撑26连接，从而使上真空仓体20和下真空罩36相连，在上真空仓体20与下真空罩36之间垫有密封圈30，所述的下真空罩36侧壁上开有一通孔，一ZnSe窗口33通过螺栓组35固定在通孔上，ZnSe窗口33与螺栓组35之间垫有密封圈34，ZnSe窗口33的有效通光口径为Φ54毫米，远大于孔径光阑2和视场光阑7的尺寸，从而保证入射光能充满孔径光阑2和视场光阑7，在所述的通孔的位置要使通过ZnSe窗口33的光束能进入到光学单元29中的管状光阑组3和孔径光阑2中，下真空罩36的底部边缘开有8个Φ12毫米的固定孔，用于测量时与其他平台等外部设备的固定与连接；所述的外围数据采集单元包括有前放电路盒38，所述的前放电路盒38内是放大电路，与放大电路输出端依次相连接的有锁相放大器39、数据采集器40和PC电脑41，放大电路的输入端通过机械结构单元中的电气接口25分别与光学单元29中的InSb探测器13和HgCdTe探测器15的输出端相连接；各器件的供电及信号传输都通过一个55头的芯座与外部设备连接，所述的管状光阑组3、斩光器8、次离轴抛物镜10、InSb探测器13和紫铜板平台1上分别贴有温度传感器，用于实时监测各器件的低温制冷效果。以上所述的所有的光学镜片均采用以下方式固定：所述的所有的光学镜片均采用以下方式固定：包括镜架机座47和镜片压片42，所述的镜架机座47是一个L形板，所述的L形板的竖直面的上部为半圆弧形，在竖直面的外侧以所述半圆弧形的圆心为中心开有一凹槽，将所要固定的光学镜片放入凹槽内，在所述凹槽的底部开有若干螺纹通孔一，分别有若干与所述螺纹通孔一相匹配的调节螺丝46从所述竖直面的内侧拧进螺纹通孔一内且调节螺丝46的长度大于螺纹通孔一的深度，从而调节螺丝46的端部将顶住光学镜片45，使光学镜片45与凹槽底部之间有空隙，在凹槽的周边开有若干螺纹通孔二，所述的镜片压片42为一环形板，在环形板的圆周上开有与螺纹通孔二相对应的螺纹通孔三，分别有若干与螺纹通孔三相匹配的压紧螺丝43将镜片压片42和镜架机座47固定连接，从而将凹槽内的光学镜片45固定的卡在凹槽内，在每个压紧螺丝43上都套有一弹簧44，弹簧44在压紧螺丝43与镜片压片42之间，通过拧动调节螺丝44，来调节光学镜片45的位置和角度。
本发明具体工作方式为:如图3所示，液氮通过液氮进口管18进入到液氮存储仓24内，由压力表组件19对液氮存储仓24内的压力进行实时监测，抽真空接口22外接分子泵，上真空仓体20与下真空罩36之间被由分子泵和机械泵组成的抽气系统抽成真空，有效阻止外部热量通过空气传递给光学单元，大大提高液氮制冷效果和液氮制冷的保持时间，高、低真空规管接口23与真空计连接，能实时监测真空罩内的真空度；接通±12V电源，给系统供电。锥形黑体腔37发射出的红外光束透过ZnSe窗口33，经过管状光阑组3和孔径光阑2后入射到镀金平面镜4上，红外光束经镀金平面镜4放射到主离轴抛物镜5上，主离轴抛物镜5将红外光束反射出去，经过两个消杂光光阑6并会聚在视场光阑7处，红外光束在到达次离轴抛物镜前经过工作频率为46.40Hz、稳定性为±0.003Hz斩光器8变成特定频率的交流信号，当斩光器8的斩光叶片合上时，红外光束被斩光叶片反射到杂散光收集器9中，所述的杂散光收集器9有一个锥型形腔，被斩光叶片反射的光被该杂散光收集器9收集吸收，然后将能量传到液氮存储仓24，从而消除此部分杂散光对探测器的影响，当斩光器8的斩光叶片打开时，红外光束经过视场光阑7到达次离轴抛物镜10，次离轴抛物镜10将红外光束反射到分色片11，波长小于5.5μm的光束被分色片11反射，后经过中心波长为5μm带宽为1μm的滤色片一12被InSb探测器13接收，波长大于7μm的光束直接透过分色片11经过中心波长为10μm带宽为1μm的滤色片二14被HgCdTe探测器15接收；两探测器将接收的交流信号通过电气接口25由55头的芯座传到前放电路盒38中，经过前放电路盒38中的放大电路对交流信号进行放大，后传入锁相放大器38，锁相放大器39只对频率为46.40HZ交流信号进行锁相放大，放大的信号被数据采集器40接收，并将接收的数据输入到PC电脑41中，PC电脑41中显示相应的电压值，通过得出的电压值计算出温度值，计算过程如下：
设定黑体温度为313K和353K两个温度点，在实验室环境下用本发明观测这两个温度点各一小时，每个温度点测400个数据如下表所示：
| 温度（K） | 测量值均值（V） | 标准偏差 | 相对标准偏差 |
| 313 | 1.4058 | 2.1563E-4 | 0.0153% |
| 353 | 3.6581 | 7.5622E-4 | 0.0206% |
通过对两个温度点的长时间观测，可见本发明的长时间稳定性优于0.03%。
黑体从300K～400K设定14个温度点，每个温度点采集200个数据，耗时20秒，黑体的普朗克辐射定律为
其中，
是黑体的光谱辐射出射度（
），
是中心波长（
），是黑体绝对温度（
），是第一辐射常数（
），
是第二辐射常数（）。
利用普朗克辐射定律可将表中的数据拟合成探测器信号值关于温度的曲线，表达式如下
式中
是探测器的信号值（锁相放大器输出的电压值），
和是用来拟合的斜率和偏移量。用Matlab将测得的14个点的水浴黑体温度T和探测器电压值S代入公式（3）中进行最小二乘法拟合，得出拟合系数a=0.09893,b=0.1756。拟合所得曲线如图4所示；
将拟合所得的a、b值代入（3）式中得到探测器信号S与黑体温度T之间的关系式如下：
反求T得到
代入上式就得到黑体的辐射温度T。
Claims (9)
1.一种便携式双波段热红外辐亮度计，其特征在于：包括有机械结构单元、光学单元和外围数据采集单元，所述的机械结构单元包括有上真空仓体、下真空罩和液氮存储仓，所述的上真空仓体包括有液氮进口管和液氮出口管，在所述的上真空仓体侧壁上开有抽真空接口、高、低真空规管接口和电气接口，所述的液氮存储仓在上真空仓体内部并焊接在液氮进口管和液氮出口管上，有一侧支撑从侧面固定液氮存储仓，在液氮存储仓的下面有一主制冷面板，该主制冷面板与一紫铜板平台固定连接着，所述的光学单元的所有元器件都安装在所述的紫铜板平台上，所述的光学单元包括孔径光阑和管状光阑组，光束经过所述的孔径光阑和管状光阑组直接入射到前方镀金平面镜上，镀金平面镜将光束反射到镀金平面镜下方的主离轴抛物镜，主离轴抛物镜将光束反射出去，经过两个消杂光光阑并会聚在位于两个消杂光光阑后侧的视场光阑处，在视场光阑的前侧放置一斩光器，当斩光器的斩光叶片打开时，光束经过视场光阑到达次离轴抛物镜，当斩光器的斩光叶片合上时，光束被斩光叶片反射到杂散光收集器中，所述的杂散光收集器有一锥形的黑体腔，其中到达次离轴抛物镜的光束被次离轴抛物镜反射并会聚后到达分色片，波长小于5.5μm的光束被分色片反射，后经过滤色片一被位于滤色片一后侧的InSb探测器接收，波长大于7μm的光束直接透过分色片经过滤色片二被位于滤色片二后侧的HgCdTe探测器接收；所述的光学单元外面罩有一屏蔽罩，所述的下真空罩罩在屏蔽罩的外面并与所述的侧支撑连接，从而使上真空仓体和下真空罩相连，所述的下真空罩侧壁上开有一通孔，一ZnSe窗口固定在通孔上，所述的通孔的位置要使通过ZnSe窗口的光束能进入到光学单元中的管状光阑组和视场光阑中；所述的外围数据采集单元包括有前放电路盒，所述的前放电路盒内是放大电路，与放大电路输出端依次相连接的有锁相放大器、数据采集器和PC电脑，放大电路的输入端通过机械结构单元中的电气接口分别与光学单元中的InSb探测器和HgCdTe探测器的输出端相连接。
2.根据权利要求1所述的便携式双波段热红外辐亮度计，其特征在于：所述的所有的光学镜片均采用以下方式固定：包括镜架机座和镜片压片，所述的镜架机座是一个L形板，所述的L形板的竖直面的上部为半圆弧形，在竖直面的外侧以所述半圆弧形的圆心为中心开有一凹槽，将所要固定的光学镜片放入凹槽内，在所述凹槽的底部开有若干螺纹通孔一，分别有若干与所述螺纹通孔一相匹配的调节螺丝从所述竖直面的内侧拧进螺纹通孔一内且调节螺丝的长度大于螺纹通孔一的深度，在凹槽的周边开有若干螺纹通孔二，所述的镜片压片为一环形板，在环形板的圆周上开有与螺纹通孔二相对应的螺纹通孔三，分别有若干与螺纹通孔三相匹配的压紧螺丝将镜片压片和镜架机座固定连接，从而将凹槽内的光学镜片固定的卡在凹槽内，在每个压紧螺丝上都套有一弹簧，弹簧在压紧螺丝与镜片压片之间。
3.根据权利要求1所述的便携式双波段热红外辐亮度计，其特征在于：所述的上真空仓体的顶端有一吊耳；所述的液氮出口管连接有压力表组件；所述的紫铜板平台是圆形的，且各元器件与圆形紫铜板平台之间都涂有导热脂；所述的主制冷面板与紫铜板平台之间涂有导热脂并通过8个螺栓连接。
4. 根据权利要求1所述的便携式双波段热红外辐亮度计，其特征在于：所述的ZnSe窗口的有效通光口径为Φ54毫米，远大于孔径光阑和视场光阑的尺寸。
5.根据权利要求1所述的便携式双波段热红外辐亮度计，其特征在于：所述的斩光器的工作频率为46.40Hz，稳定性为±0.003Hz；所述的滤色片一的中心波长为5μm，带宽为1μm，滤色片二的中心波长为10μm，带宽为1μm。
6.根据权利要求1所述的便携式双波段热红外辐亮度计，其特征在于：所述的管状光阑组、斩光器、次离轴抛物镜、InSb探测器和紫铜板平台上分别贴有温度传感器。
7.根据权利要求1所述的便携式双波段热红外辐亮度计，其特征在于：所述的ZnSe窗口通过螺栓组与通孔连接，中间垫有密封圈；所述的上真空仓体与下真空罩之间垫有密封圈；所述的下真空罩的底部边缘开有8个Φ12毫米的固定孔。
8.根据权利要求1所述的便携式双波段热红外辐亮度计，其特征在于：各器件的供电及信号传输都通过一个55头的芯座与外部设备连接。
9.根据权利要求1所述的便携式双波段热红外辐亮度计，其特征在于：所述的液氮存储仓能存储约15L的液氮；所述的屏蔽罩内表面涂有红外吸收层。
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