CN102680108B - 一种野外使用的常温大面源双黑体辐射源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种野外使用的常温大面源双黑体辐射源，它主要用于红外系统的定标、测试。本发明提出了具有双黑体形式的大面源黑体辐射源。该双黑体辐射源采用分体式结构，包括：双黑体辐射源和双黑体辐射源控制器。双黑体辐射源包括两个独立工作的黑体辐射源，可单独设定不同的温度值；反射镜机构用于快速切换指定的红外辐射；黑体辐射源采用主动制冷技术，可输出常温以下的红外辐射；双黑体辐射源控制器采用自适应温度补偿技术，保证进入被测设备的等效黑体温度T_e等同于黑体辐射源温度T。本发明的特点是：适用于野外工作；双温度点快速切换，易于测试噪声等效温差；采用自适应温度补偿技术。

Description

一种野外使用的常温大面源双黑体辐射源

技术领域：

本发明涉及黑体定标系统，特别的，是涉及到快速测量红外系统噪声等效温差采集的黑体定标系统。

背景技术：

随着制冷型红外探测器技术的不断成熟以及非制冷型红外探测器的不断涌现，红外技术已经越来越多的应用在日常生活中的各个方面。对于红外系统而言，评价其性能优劣的一个重要指标就是该系统的噪声等效温差（NETD），它是衡量热像系统性能优劣的重要参数，可以估计系统的灵敏度，是对于该系统的探测器性能、成像光学系统以及读出电路一个综合评价值。

常用的噪声等效温差测量方法是将红外设备对准标准黑体辐射源的辐射面；将黑体温度设定在T₁，采集系统信号值；将黑体设定在T₂，采集系统信号值；在T₁、T₂两组信号值的基础上计算出噪声等效温差。测试得到较准确的噪声等效温差需要重复采集多次。

在野外对红外系统进行噪声等效温差测量时同样要考虑环境因素的影响。通常面黑体辐射源自身发射率小于1，并且进入被测设备的等效黑体温度T_e随环境温度T_a变化而变化：环境温度小于黑体源温度T时，T_e＜T；T_a=T时，T_e=T=T_a；T_a＞T时，T_e＞T。不同季节、不同地域的环境温度T_a相差很大，同一天、不同时刻的环境温度T_a也变化很大。这就需要采用自适应温度补偿技术，解决环境温度对等效黑体温度的影响，以实现在不同黑体源温度T、不同环境温度T_a下，进入被测设备的等效黑体温度T_e等同于黑体辐射源温度T。

国内常用的定标黑体主要采用电热丝作为加热元件、风扇作为制冷元件。这样的黑体在野外定标时有以下几点不足：

1.黑体稳定时间慢，采集多组系统数据通常需要几个小时。在如此长的时间内环境条件经常发生变化，导致红外系统本身的探测能力波动，影响噪声等效温差的测量。

2.没有主动制冷元件，该类黑体无法将温度设定在常温以下，使得红外系统无法进行常温以下的系统定标和数据采集。

3.该类黑体电热丝排布不均且同一根电热丝的不同部位发热不均匀，导致辐射面的发射率不均匀，引起系统噪声等效温差的测量误差。

4.该类黑体的表面发射率通常在0.98左右，与理论表面发射率有一定差距。造成红外系统实际接收到的辐射比理论值要低，使测量出的系统噪声等效温差偏高。

发明内容：

本发明提出了一种野外使用的常温大面源双黑体辐射源系统，为红外系统提供标准辐射源，用于红外系统的噪声等效温差的快速采集和计算。

本发明的功能是这样实现的：本系统由双黑体辐射源与双黑体辐射源控制器组成，双黑体辐射源控制器用于控制双黑体辐射源的温度以及反射镜的反射方向；双黑体辐射源用于输出指定温度的红外辐射。

如附图所示：双黑体辐射源包括两个独立的黑体辐射源及反射镜组件。黑体辐射源可以独立设定各自温度，通过控制反射镜的反射方向切换输出的红外辐射。黑体辐射源采用航空铝合金作为辐射面，半导体制冷片作为加热/制冷元件。半导体制冷片一面紧贴在辐射面后表面，另一面紧贴在肋片式散热器上，整个黑体辐射源由交流风扇与外界进行热交换。当黑体辐射源需要输出低于环境温度的辐射时，控温仪通过VMOS管向半导体制冷片加载正向电流，半导体制冷片在靠近辐射面的一面吸收热量，在靠近散热器的一面产生热量，产生的热量经散热器上由交流风扇与环境进行强迫交换；当黑体辐射源需要输出等于或高于环境温度的辐射时，控温仪通过VMOS管向半导体制冷片加载反向电流，半导体制冷片在靠近辐射面的一面产生热量，在靠近散热器的一面吸收热量，产生的冷量经散热器上由交流风扇与环境进行强迫交换。两个黑体辐射源对称安装在反射镜组件上，反射镜组件包括椭圆反射镜、直流伺服电机和传动机构。反射镜的反射位置由辐射源控制器控制，当反射镜位置开关处于一档时，伺服电机通过传动机构使反射镜顺时针旋转90°至位置一，此时反射镜与右边的黑体辐射面呈45°夹角，输出右边黑体辐射源的红外辐射；反射镜位置开关处于二档时，伺服电机通过传动机构使反射镜逆时针旋转90°至位置二，此时反射镜与左边的黑体辐射面呈45°夹角，输出左边黑体辐射源的红外辐射，整个切换过程小于2秒。

双黑体辐射源控制器主要包括控温仪、电源、VMOS管和直流风扇。电源为半导体制冷片提供36V电流输入，为伺服电机、控温仪和直流风扇提供12V电流输入。根据自适应温度补偿理论对每个黑体辐射源进行单独标定，将温度修正系数集成到控温仪中，保证进入被测设备的等效黑体温度T_e等同于理论黑体辐射源温度T。设备工作时，控温仪对辐射面当前的温度值与设定的温度值进行比较，计算出半导体制冷片的工作时间和工作方式，将其转换为通断信号发送给VMOS管，VMOS管在接收到信号后控制流经半导体制冷片的电流通断，实现黑体辐射源的精确控温。

进行噪声等效温差测试时，首先将两个独立的黑体辐射源设定在不同温度；黑体辐射源温度稳定后由红外系统采集一个温度值的红外辐射；拨动双黑体辐射源控制器上的反射镜切换开关，切换到另一个黑体辐射源进行辐射输出；红外系统采集另一温度值的红外辐射；红外系统根据采集到的不同温度值的黑体辐射进行噪声等效温差计算，整个测试过程快速简洁。

本发明系统参数如下：

黑体辐射源出射口直径：Φ135mm；系统工作温度范围：-30℃~46℃；黑体辐射源设定温度范围：10℃~50℃；黑体辐射源切换时间小于2s。

本发明具有以下特点：

1.双温度点快速切换，快速测试噪声等效温差；

2.采用主动制冷技术，可输出常温以下红外辐射；

3.黑体辐射面辐射均匀，控温稳定；

4.采用自适应温度补偿技术，将黑体的等效表面发射率修正至1；

5.易于携带，便于野外使用。

附图说明：

图1为本发明中的双黑体辐射源的结构示意图；其中：

图2-A为本发明中的黑体辐射源组件的结构正示图；

图2-B为本发明中的黑体辐射源组件的结构左示图；

图2-C为本发明中的黑体辐射源组件的结构俯示图。

图3为本发明中的半导体制冷片分布示意图。

图4-A为本发明中的反射镜组件的结构正示图；其中：

图4-B为本发明中的反射镜组件的结构左示图；

图4-C为本发明中的反射镜组件的结构俯示图；

图5为本发明中的双黑体辐射源控制器的结构示意图。

图6为本发明中的电源的接线端子图。

图7为本发明中的VMOS管的接线端子图。

图8为本发明中的交流风扇的接线端子图。

图9为本发明中的直流风扇的接线端子图。

图10为本发明中的控温仪的接线端子图。

图11为本发明中的测温管的接线端子图。

图12为本发明中的拨动开关的接线端子图。

具体实施方式：

下面根据图1-图12阐明本发明的实施例，并予以详细描述。

如图1-图12所示，本发明的实施例包括：双黑体辐射源1和双黑体辐射源控制器2。由于双黑体辐射源1和双黑体辐射源控制器2均为对称结构，故以下仅就其对称结构的一半阐明实施例。

双黑体辐射源1包括黑体辐射源组件3和反射镜组件4。

黑体辐射源组件3由辐射面支架5上的6个通孔401垂直固定在反射镜组件4上。辐射面支架5为一矩形方框，前表面开Φ135mm的圆孔，用于辐射源面板6的红外辐射通过；后表面依次紧贴排布有隔热垫圈8、辐射源面板6。隔热垫圈8由尼龙加工制成，外形为矩形，中间开孔Φ136mm，用于辐射源面板6与辐射面支架5的热隔绝，防止外界温度干扰辐射源面板6。辐射源面板6采用航空铝合金加工制成，为一矩形面板，厚度为10mm。出射表面喷砂处理以提高漫反射效率，并喷涂高发射率材料，使表面有效发射率高达0.95以上，背面进行精密研磨，粗糙度达到0.8级以上。辐射源面板6一侧开孔Φ3mm，塞入测温管7，测温管7型号为PT100，采购自RS，测温管7的接线端子627,628分别与控温仪27的接线端子625,627相连接，用于测量辐射源面板6的实际温度，并通过上述两引脚将测得的温度反馈至控温仪27。在测温管7与辐射源面板6之间均匀涂抹导热硅脂以提高测温精度。辐射源面板6的背面如图排布9片半导体制冷片9，其规格为9500/12/040B，采购自杭州大和。9片半导体制冷片9相互间隔7mm，依中心对称排布。半导体制冷片9用于辐射源面板6的加热与制冷：当黑体需要输出低于常温的红外辐射时，半导体制冷片9进行制冷，其紧贴在辐射源面板6的一面制冷，背面发热，使辐射源面板6以低于常温的温度进行红外辐射；当黑体需要输出高于常温的红外辐射时，半导体制冷片9进行加热，其紧贴在辐射源面板6的一面加热，背面制冷，使辐射源面板6以高于常温的温度进行红外辐射。9片半导体制冷片串联连接，由36V直流电驱动工作，其接线端子601与电源28的接线端子603相连，接线端子602与VMOS管29的接线端子611相连。半导体制冷片9与辐射源面板6之间薄薄地涂抹一层导热硅脂，以提高导热效率。半导体制冷片9后背紧贴散热器10，散热器10为肋片式散热器，采用铝合金加工制成，其基板为矩形，厚10mm，在基板上等间隔7mm排布长165mm，宽3mm，高64mm的肋片。散热器10与半导体制冷片之间薄薄地涂抹一层导热硅脂，以提高导热效率。散热器10用于半导体制冷片9与外界进行热交换，防止半导体制冷片9在制冷情况下因温度过高而损坏。辐射源面板6与散热器10通过10个通孔402相连接，并同时压紧半导体制冷片9。散热器10通过通孔403与散热器支架11和辐射面支架5相连。散热器支架11为一U型薄板，采用2mm厚铝合金加工制成。其通过交流风扇12上的4个通孔404于交流风扇12相连接，风扇型号为SJ1738HA2，采购自台湾三巨。交流风扇12为散热器10进行风冷冷却，其由220V交流电驱动，其接线端子615、616、617分别与电源28的接线端子607、608、609相连。整个黑体辐射源组件3为一单独部件，独立工作并可整体拆装，方便进行维修更换。

反射镜组件4用于输出指定黑体辐射源的红外辐射。反射镜14的材质为K9玻璃，是一个长轴215mm、短轴153mm的椭圆形平面反射镜，厚度为15mm。在一侧涂镀反射膜，反射率0.95以上。反射镜14由伺服电机23驱动，通过旋转反射镜来切换输出的黑体辐射源。反射镜14通过4个反射镜压块15压紧在反射镜衬板16上，反射镜压块通过通孔405与反射镜衬板16相连。反射镜压块15外形为L型，由铝合金加工制成，其与反射镜14之间衬垫有毛毡，防止压碎反射镜14。反射镜衬板16为一椭圆形薄板，采用铝合金加工而成，用于加固反射镜14，提高刚度。反射镜衬板16背部与反射镜转轴17通过通孔407相连接，反射镜转轴17的轴心与反射镜14的反射面相重合，保证转动时不会因为旋转轴心不重合而导致像移。反射镜转轴17采用45号钢加工制成，其形状为U型架，两端伸出转轴，转轴直径均为Φ10mm。转轴两端分别嵌套在两个轴承18的内孔中。轴承18型号为7200AC，采购自哈尔滨轴承厂，其可以极大地减小转动时产生的摩擦力矩并提高转动精度。下面的轴承18的外面嵌套在反射镜外框13的下部内孔中，上面的轴承嵌套在反射镜外框13的上部内孔中，通过轴承端盖19压紧。反射镜外框13采用铝合金加工拼接而成，为一矩形支架，内部用于固定反射镜转轴17和伺服电机23及传动机构，外部用于和黑体辐射源3的固定连接。反射镜转轴17的出轴与同步齿形轮A20相固定，伺服电机23出轴与同步齿形轮B21相固定，同步齿形轮A20与同步齿形轮B21通过同步齿形带22传动。其中同步齿形轮A20为38齿，模数1.0，同步齿形轮B21为19齿，模数1.0，同步齿形带22为高5mm，周长200mm的皮带，以上三件均采购自RS。伺服电机23通过电机固定板24的通孔407与反射镜外框13相连接。伺服电机型号PD-140，采购自MAXON。其接线端子633,634与拨动开关31的接线端子631,632相连。接通电源，发送正向转动命令后，伺服电机23顺时针旋转90°，带动同步齿形轮B21同时转动，通过同步齿形带22将转动传递到同步齿形轮A20上，带动反射镜转轴16转动，最终驱动反射镜14顺时针转动90°；发送反向转动命令后，伺服电机23逆时针旋转90°，驱动反射镜14逆时针转动90°，切换输出的黑体辐射源组件3。为防止长时间工作后因同步齿形带22变形而影响传动效果，在电机固定板24两侧加装张紧压块25，其为L型，采用铝合金加工而成。在较长段的端面上开通孔408，用于和反射镜外框13相固定，较短的一端的端面开螺纹孔409，通过螺丝顶紧电机固定板24，张紧同步齿形带，防止其因变形而产生松动。

黑体辐射源组件3与反射镜组件4通过通孔401固定，反射镜组件4通过通孔410与双黑体辐射源外框架26相固定，构成完整的双黑体辐射源，其长500mm，宽350mm，高350mm。

双黑体辐射源控制器2对双黑体辐射源1进行供电和控温。其核心元件为采用自适应补偿技术的控温仪27，其接线端子620,621与电源28的接线端子605，606相连接，从电源28获取12V供电；接线端子622,623,624分别连接VMOS管29的接线端子612,613,614，控温仪27根据测温管7给出的温度值计算出半导体制冷片9的工作时间和工作方式并转换为通断信号发送给VMOS管29。VMOS管29的接线端子610与电源28的接线端子604相连接，接线端子611与半导体制冷片9的接线端子602相连接。VMOS管29接收到通断信号后根据信号控制经过电流的通断，进而控制半导体制冷片9的电流通断，实现辐射源面板6的精确控温。控温仪27通过自带的卡口与控制器外框架32相连接，VMOS管29通过通孔411与控制器外框架32相连接。为控制伺服电机的正反转，在控制器外框架31上安装拨动开关31，采购自RS，其接线端子629,630分别与电源28的接线端子605，606相连接，接线端子631,632与伺服电机23的接线端子633,634相连接。当开关处于一档时，反射镜顺时针转到位置一；开关处于二档时，反射镜逆时针转到位置二，其中位置一与位置二夹角90°，分别对应两个黑体辐射源的输出角度。电源28型号为VE-NVJ-IM，采购自美国VICORPOWER，其接收220V交流电并转化为12V和36V直流电输出，功率为600W，负责对伺服电机23，控温仪27，VMOS管29提供12V直流电；对半导体制冷片9提供36V直流电。电源28通过6个通孔412与控制器外框架32相连接。为防止长时间工作后电源发热保护，在电源后侧安装两个直径70mm的直流风扇30进行散热，其规格为SJ7020HD1，采购自台湾三巨。直流风扇30接线端子618与619分别与电源的接线端子605与606，相连接通过4个通孔413与控制器外框架32相连接。

双黑体辐射源控制器长300mm，宽320mm，高180mm。

控温仪27集成自适应温度补偿技术，其实现原理和方式如下：

通常面源黑体辐射源自身的发射率小于1，对于双黑体辐射源，其反射镜的反射率也小于1。通过对热辐射理论的研究，进入被测设备的辐射由两部分组成：（1）平面反射镜自身的辐射，（2）平面反射镜对面源黑体的辐射，而面源黑体的辐射包括自身的辐射和其对外界环境辐射的反射。这里的环境辐射用环境温度Ta的黑体辐射代表。于是被测设备接收的辐射功率为：

P＝(ε₁σT⁴+(1-ε₁)σT_a ⁴)×(1-ε₂)+ε₂σT_a ⁴＝σT_a ⁴    （1）

式中，ε₁，T为面源黑体自身的表面发射率及温度；

ε₂，Ta为平面反射镜的自身发射率及温度。

同时，面源黑体的反射率s₁＝1-ε₁；

平面反射镜的反射率s₂＝1-ε₂，

则式（1）可以改写成：

$T_e^4=s_2{\mathrm{\ϵ}}_1{T}^4+(s_1{s}_2+{\mathrm{\ϵ}}_2){T_a}^4---\left(2\right)$

由式（1）可见，

当T＝T_a时，T_e＝T_a＝T；当T＜T_a时，T_e ＜T；当T＞T_a时，T_e＞T。

由式（2）得

$T={\left(\frac{T_e^4-(s_1{s}_2+{\mathrm{\ϵ}}_2){T_a}^4}{s_1{s}_2}\right)}^{1/4}---\left(3\right)$

为使等效黑体温度等于黑体温度T，必须对面源黑体设定的温度T进行修正；同时，考虑到环境温度随时间的变化，修正值s_c为：

$s_c={\left[\frac{{(T+273)}^4-(s_1{s}_2+{\mathrm{\ϵ}}_2){(T_a+273)}^4}{s_1{s}_2}\right]}^{1/4}-(T+273)---\left(4\right)$

将该修正值s_c集成到控温仪中以此保证进入被测设备的等效黑体温度T_e等同于理论黑体辐射源温度T。

Claims (5)

1.一种野外使用的常温大面源双黑体辐射源，它包括双黑体辐射源（1）和双黑体辐射源控制器（2），其中双黑体辐射源（1）包括辐射面支架（5），辐射源面板（6），隔热垫圈(8)，半导体制冷片（9），散热器（10），散热器支架（11），交流风扇（12），反射镜外框（13），反射镜(14)，反射镜压块（15），反射镜衬板（16），反射镜转轴（17），轴承（18），轴承端盖（19），同步齿形轮A（20）,同步齿形轮B（21），同步齿形带（22），伺服电机（23），电机固定板（24）以及双黑体辐射源外框架（26）；双黑体辐射源控制器（2）包括控温仪（27），电源（28），VMOS管（29），直流风扇（30），拨动开关（31）以及控制器外框架（32），其特征在于：

所述的双黑体辐射源（1）的结构为：辐射源面板（6）通过左右两侧的螺钉固定在辐射面支架（5）上，两者之间垫有隔热垫圈（8）以防止热干扰，辐射源面板（6）后表面紧贴9片均匀排布的半导体制冷片（9），半导体制冷片（9）后表面紧贴在散热器（10）上，散热器（10）通过螺钉固定在辐射源面板（6）的背面，并同时压紧半导体制冷片（9），散热器支架（11）通过左右两侧的螺钉固定在散热器（10）的背面，交流风扇（12）通过螺钉垂直固定在散热器支架（11）上，以上零件安装形成独立的黑体辐射源组件（3）；4个反射镜压块（15）将反射镜（14）紧压在反射镜衬板（16）上，反射镜衬板（16）通过背部的螺钉固定在反射镜转轴（17）上，反射镜转轴两端分别套入轴承（18）中，轴承（18）嵌套在反射镜外框（13）中，通过轴承端盖（19）压紧；伺服电机（23）通过端面的螺钉固定在电机固定板（24）的下侧，电机固定板（24）通过螺钉固定在反射镜外框（13）的上表面；反射镜转轴的出轴通过螺钉安装同步齿形轮A（20），伺服电机（23）的出轴通过螺钉安装同步齿形轮B(21)，同步齿形轮A（20）与同步齿形轮B（21）之间依靠同步齿形带（22）传递转动，以上零件安装形成独立的反射镜组件（4）；两个黑体辐射源组件（3）分别通过侧面的螺钉固定在反射镜组件（4）的左右两侧，反射镜组件（4）通过底部的螺钉固定在双黑体辐射源外框架（26）内，组成双黑体辐射源（1）；

所述的双黑体辐射源控制器（2）中：控温仪（27）通过自带卡口固定在控制器外框架（32）的前面板上，电源（28）、VMOS管（29）通过螺钉固定在控制器外框架（32）内，直流风扇（30）通过螺钉固定在控制器外框架（32）的后面板上，拨动开关（31）通过螺钉固定在控制器外框架（32）的左侧面板上；电源（28）为控温仪（27）、直流风扇（30）、伺服电机（23）提供12V直流电，通过VMOS管为双黑体辐射源（1）提供36V交流电；

辐射源工作时，通过控温仪（27）为两个黑体辐射源组件（3）设定不同的目标温度，控温仪（27）向VMOS管（29）发出通断信号，VMOS管（29）收到通断信号后根据信号控制流向双黑体辐射源（1）电流的通断，使半导体制冷片（9）按信号进行工作，精确控制黑体辐射源组件（3）的辐射温度；两个黑体辐射源组件（3）温度稳定后，拨动拨动开关（31）至一档位，电源向伺服电机（23）提供正向电流，使反射镜（14）处于位置一状态，输出第一设定温度的辐射；拨动拨动开关（31）至二档位,电源向伺服电机（23）提供反向电流，使反射镜（14）处于位置二状态，输出第二设定温度的辐射。

2.根据权利要求1所述的一种野外使用的常温大面源双黑体辐射源，其特征在于：所述的辐射源面板（6）表面喷涂高发射率材料，表面有效发射率达0.95以上。

3.根据权利要求1所述的一种野外使用的常温大面源双黑体辐射源，其特征在于：所述的半导体制冷片（9）为39.7×39.7×4.16mm,额定电压12V，制冷功率38W。

4.根据权利要求1所述的一种野外使用的常温大面源双黑体辐射源，其特征在于：所述的散热器（10）采用航空铝合金加工，基板厚10mm，肋片长165mm、宽3mm、高64mm，间隔7mm均匀分布。

5.根据权利要求1所述的一种野外使用的常温大面源双黑体辐射源，其特征在于：所述的反射镜组件（4）通过伺服电机（23）保证定位精度，伺服电机步距角为1.8°、256细分，旋转定位精度达0.007°。

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