CN103777659B - 常温点源黑体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种常温点源黑体，属于光学计量领域。其技术特点是：由半导体制冷片和散热片组成的多个环形驱动器沿轴向安装在多棱柱状黑体腔体的外侧壁上，以实现对常温点源黑体的温度控制；在黑体腔体侧壁上的三个不同的轴向位置上均布置温度传感器，使黑体腔体内部的整体温度能够得到准确控制；在机箱的前后端面分别设置弧形进气口和散热风扇，以便与机箱内的空隙一起构成空气循环通道，从而保证了黑体腔体内部温度的均匀性，并使本发明的发射率达到0.998。本发明很好地解决了外场试验和快速测量场合所需要的高发射率黑体辐射源的问题；同时具有体积小、质量轻、升降温速度快、便于携带的优点。

Description

常温点源黑体

技术领域

本发明属于光学计量领域，涉及一种标准红外辐射源，尤其涉及一种常温点源黑体。

背景技术

一般常温黑体温度范围为-30℃～100℃，在这一温度范围内有两种类型的黑体可当作标准红外辐射源使用，一种是常温点源黑体，另一种是常温面源黑体。美国SBIR公司和EOI公司均有常温点源黑体产品，该产品包括圆柱形腔体以及附着在其上的液体循环组件，液体循环组件中的液体通过管道与外部温度控制系统相通，外部温度控制系统通过对液体温度的控制而实现对黑体的腔体进行加热、制冷，采用单个传感器进行单点温度测量。该种常温点源黑体的优点是温度稳定性好，发射率通常在0.997～0.999之间，一般作为实验室级的标准使用，适合在实验室中对被测设备进行检定、校准；然而，由于这种常温点源黑体采用的是液体驱动，需要较长的时间才能达到设定的温度点，而且体积较大，附件多，不适合外场携带和使用，也不适用于快速测试场合。通常，能用于外场测试的标准红外辐射源多为面源黑体，此类产品以美国EOI公司CES100系列黑体为代表，其发射率通常在0.95～0.98之间，比常温点源黑体的发射率要低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的问题，提供一种便于携带且适应于快速测量场合和外场试验的常温点源黑体。

为解决上述问题，本发明提供的常温点源黑体包括机箱、散热风扇、后支架、八个温度传感器、黑体腔体、n个环形驱动器、前支架、隔热圈、遮光罩和温控装置，3≤n≤9，每个环形驱动器含有m个半导体热电制冷片、m个散热片和一个圆形扎箍，5≤m≤10，后支架、前支架均为L型金属件，其长面板的中心均设有通孔；所述机箱为一个矩形空腔体，其一个最小侧面即前端面的中心设有螺纹孔，螺纹孔的四周均布有多个进风孔，后端面中心带有出风孔；所述黑体腔体为正m棱柱空腔体，其前端面中心设有依据常温点源黑体发射率指标确定的出瞳孔，前端侧壁沿轴向设有四个插槽，其中两个相对的插槽深入到腔体壁的中间位置，另两个相对插槽的深度和所述温度传感器的长度相等，黑体腔体的内腔形状为圆柱和圆锥组合状，圆锥位于黑体腔体的后端且圆锥角为θ，30°≤θ≤50°，黑体腔体的后端侧壁上均布设有与所述温度传感器长度相等的四个插槽，黑体腔体各外侧壁的宽度大于或等于半导体热电制冷片的长度，黑体腔体的棱数m由出瞳孔的面积、黑体腔体的材料和质量、以及环形驱动器的功率和体积来确定；所述m个散热片均是由多个宽度相等的矩形叶片以相间形式排列在一个矩形底板上而构成的扇形状结构体，矩形底板的长度与黑体腔体的外侧壁宽度相等，矩形底板的宽度与半导体热电制冷片的宽度相等，散热片首尾两个叶片之间的夹角为α且α=360°/m；每个环形驱动器中的m个散热片依次周向相邻，并用圆形扎箍包络固定后构成一个外环为圆形内环为m边形的环状体，内环的m个平面上各粘接一个半导体热电制冷片，m个半导体热电制冷片通过导线串联；所述隔热圈为中心带有通孔的凸字形圆柱体，该通孔的直径和出瞳孔的直径相等；所述遮光罩含有三个直径不等的圆柱体且大、中、小直径圆柱体依次排列，遮光罩带有轴向中心通孔，轴向中心通孔的直径和所述隔热圈的通孔直径相同，遮光罩的最小直径圆柱体上设有外螺纹；所述n个环形驱动器依次固连套在所述黑体腔体的外壁上而构成常温点源黑体的内胆，相邻环形驱动器之间留有间隙，n个环形驱动器的正负极引线并联或串联；所述散热风扇安装在所述机箱后端面的出风孔处，所述内胆通过所述后支架和所述前支架安装在机箱内，其中，黑体腔体的前、后端面分别与前、后支架的长板固连，前、后支架的短板均和机箱底板固连，黑体腔体的八个插槽中各插入一个温度传感器，各温度传感器的引线和内胆的正负极引线分别和温控装置的相应接口相连，所述隔热圈的小圆柱体与前支架的通孔固连且该小圆柱体的端面与黑体腔体的前端面接触，隔热圈大圆柱体的端面与机箱之间留有缝隙，遮光罩的外螺纹与机箱的螺纹孔连接且遮光罩的中直径圆柱体的端面定位在机箱的前端面处。

本发明的整体技术效果体现在以下几个方面。

(一)本发明采用五个由半导体制冷片、散热片组成的环形驱动器实现对常温点源黑体的温度控制，与现有采用液体驱动方式实现对常温点源黑体的温度控制相比，环形驱动器的体积小、质量轻、升降温速度快，便于携带且适应于快速测量场合和外场试验使用。

(二)在采用五个环形驱动器的前提下，为了能够达到与采用液体驱动方式的常温点源黑体同样高的发射率，本发明在黑体腔体的侧壁上的三个不同的轴向位置即前、中、后位置上均布置有温度传感器，以使温控系统能够准确控制黑体腔体内部的整体温度；此外，在机箱的后端面上安装有散热风扇，同时在机箱前端面设置四个弧形进气口，进气口与机箱内的空隙以及散热风扇构成空气循环通道，从而进一步保证了黑体腔体内部温度的均匀性，进而使本发明的发射率达到0.998。与现有技术外场使用的面源黑体相比，本发明能够为外场试验提供高发射率的黑体辐射源。

附图说明

图1是本发明常温点源黑体的结构组成示意图。

图2a、图2b是本发明中的机箱立体图。

图3a、图3b分别是本发明中的黑体腔体的外形立体图和立体剖视图。

图4是本发明中的散热片的结构立体图。

图5是本发明中的环形驱动器结构立体图。

图6是本发明中的隔热圈立体剖视图。

图7是本发明中的遮光罩外形立体图。

图8是本发明中的内胆外形立体图。

具体实施方式

以下结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

正如图1所示，本发明常温点源黑体的优选实施例包括机箱1、散热风扇2、后支架3、八个温度传感器4、黑体腔体5、五个环形驱动器、前支架9、隔热圈10、遮光罩11和温控装置(图中未示)，每个环形驱动器含有八个半导体热电制冷片6、八个散热片7和一个圆形扎箍8。在本优选实施例中，散热风扇2选用通用型交流220V供电风扇。后支架3为L型金属件，其长面板的中心设有通孔。温度传感器4选用高精度PT100铂电阻温度传感器，其温度有效分辨率为0.001℃。半导体热电制冷片6选用两端面最大温差为95℃的器件，半导体热电制冷片的型号为FPK2-15828。前支架9为L形金属件，其长面板的中心设有螺纹通孔，短面板上设有与机箱1连接的2个过孔。

根据图2a、图2b所示，机箱1为一个矩形空腔体，其两个最小侧面分别定义为机箱1的前端面和后端面，其中，前端面中心设有螺纹孔1-1，螺纹孔1-1的四周均布有四个圆弧形的进风孔1-2。后端面中心带有圆形出风孔1-3，四周均布有4个螺纹孔。

根据图3a、图3b所示，黑体腔体5是由紫铜材料制成的正m棱柱空腔体，且5≤m≤10，正m棱柱的两个底面分别定义为黑体腔体5的前端面和后端面，其中，前端面中心设有出瞳孔5-1，出瞳孔5-1由黑体腔体5前端面的外侧向内侧扩展为锥孔，该锥孔的大端直径小于黑体腔体5内腔圆柱的直径，锥孔的小端直径由黑体发射率指标确定。前端侧壁沿轴向设有四个插槽，其中两个相对的插槽5-4深入到腔体壁的中间位置，另两个相对插槽5-2的深度和所述温度传感器4的长度相等，黑体腔体5的后端侧壁上均布设有与温度传感器4长度相等的四个插槽5-2，前后端面各均布设有四个螺孔。黑体腔体5各外侧壁5-3的宽度大于或等于半导体热电制冷片6的长度。黑体腔体5的形状为圆柱和圆锥组合状，圆锥位于腔体的后端且圆锥角为θ，30°≤θ≤50°。黑体腔体5的棱数m由出瞳孔5-1的小端面积、黑体腔体的材料和质量、以及环形驱动器的功率和体积来确定；在本实施例中，m=8。

根据图4所示，每个散热片7是由多个宽度相等的矩形叶片7-2以相间形式排列在一个矩形底板7-1上而构成的扇形状结构体，矩形底板7-1的长度与黑体腔体5的外侧壁5-3宽度相等，矩形底板7-1的宽度与半导体热电制冷片6的宽度相等。散热片7首尾两个叶片之间的夹角为α且α=360°/m。在本实施例中，散热片7由铜或者铝制作。

根据图5所示，每个环形驱动器中的八个散热片7依次周向相邻，并用圆形扎箍8包络固定后构成一个外环为圆形内环为八边形的环状体，内环的八个平面上各粘接一个半导体热电制冷片6。圆形扎箍8为一个开口的环形铁圈，其开口处用螺丝固定。将八个半导体热电制冷片6通过导线串联，正负极引线由圆形扎箍8开口处引出。

根据图6所示，隔热圈10为中心带有锥孔的凸字形圆柱体，且锥孔小端直径位于小圆柱体一端，隔热圈10锥孔小端直径和出瞳孔5-1锥孔的小端直径相等，隔热圈10的锥孔锥角取值范围为8°～12°。隔热圈10的小圆柱上设有外螺纹。

根据图7所示，遮光罩11含有三个直径不等的圆柱体且大、中、小直径圆柱体依次排列，遮光罩11的中心还开有锥状通孔，且锥孔小端直径位于最小直径圆柱体一端，遮光罩11锥孔小端直径和隔热圈10锥孔大端直径相同，遮光罩11锥孔锥角和隔热圈10锥孔锥角相等。最小直径圆柱体11-1上设有外螺纹。

如图8所示，将五个环形驱动器依次套在黑体腔体5的外壁上，并用导热硅胶固定。相邻环形驱动器之间的间隙要保证黑体腔体5内部温度均匀，从而构成常温点源黑体的内胆，五个环形驱动器的正负极引线并联或串联，为了提高可靠性，防止因为其中一个环形驱动器出现故障而引起五个环形驱动器都不能工作的现象发生，本实施例采用并联方式。

再参见图1，将散热风扇2安装在机箱1内，并用四个螺钉固定在机箱1的后端面的圆形出风孔1-3处。常温点源黑体的内胆通过后支架3和前支架9安装在机箱1内，其中，黑体腔体5的前端面与前支架9长板通过螺钉固连，黑体腔体5后端面与后支架3长板通过螺钉固连，后支架3和前支架9的短板均和机箱1底板通过螺钉固连，且后支架3与散热风扇2相邻。将内胆上两根正负极引线和温控装置的正负极引线固连。黑体腔体5的八个插槽中各插入一个温度传感器4，各温度传感器4的引线和内胆的正负极引线分别和温控装置相应的接口相连。隔热圈10的小圆柱体与前支架9的通孔固连且该小圆柱体的端面与黑体腔体5的前端面接触，隔热圈10与机箱1之间留有一条1mm宽的缝隙，遮光罩11的外螺纹与机箱1的螺纹孔1-1连接且遮光罩11的中直径圆柱体11-2的端面定位在机箱1的前端面处。遮光罩11的作用是避免环形驱动器通过四个圆弧形的进风孔1-2向被测对象提供杂散辐射。

当常温点源黑体工作时，首先打开散热风扇2电源，固定在常温黑体机箱1后端面上的散热风扇2以固定转速转动工作，把由常温点源黑体机箱1前端面进气口进入的空气，顺着机箱1内的空隙组成的风道抽出，以便带走环形驱动器排出的热量，保证环形驱动器的正常工作。然后打开温控装置电源，通过温控装置设定常温点源黑体目标温度。通过比较温度传感器4测量温度和目标温度，确定环形驱动器的工作状态是制热还是制冷。当温度传感器4测量温度小于目标温度时，温控装置正向加电，环形驱动器制热；当温度传感器4测量温度大于目标温度时，温控装置反向加电，环形驱动器制冷。当八个温度传感器4的测量温度处于目标温度附近时，需要调节五个环形驱动器之间的间隙，把其中一个环形驱动器圆形扎箍8松开时，这个环形驱动器可沿黑体腔体5的外壁纵向滑动，此时导热硅胶起润滑作用。当八个温度传感器4的测量温度都达到目标温度时，此时黑体腔体5内腔温度稳定均匀，通过黑体腔体5的出瞳孔5-1向外提供准确稳定的辐射。

本实施例中，经过测量和计算，常温点源黑体发射率高达0.998。

Claims (4)

1.一种常温点源黑体，包括机箱（1）、后支架（3）、黑体腔体（5）、前支架（9）、隔热圈（10）、温度传感器（4）、遮光罩（11）和温控装置，其特征在于：还包括散热风扇（2）、n个环形驱动器、3≤n≤9，每个环形驱动器含有m个半导体热电制冷片（6）、m个散热片（7）和一个圆形扎箍（8），5≤m≤10，所述后支架（3）、前支架（9）均为L型金属件，其长面板的中心均设有通孔；所述温度传感器为八个；所述机箱（1）为一个矩形空腔体，其一个最小侧面即前端面的中心设有螺纹孔（1-1），螺纹孔（1-1）的四周均布有多个进风孔（1-2），后端面中心带有出风孔（1-3）；所述黑体腔体（5）为正m棱柱空腔体，其前端面中心设有依据常温点源黑体发射率指标确定的出瞳孔（5-1），前端侧壁沿轴向设有四个插槽，其中两个相对的插槽深入到腔体壁的中间位置，另两个相对插槽的深度和所述温度传感器（4）的长度相等，黑体腔体（5）的内腔形状为圆柱和圆锥组合状，圆锥位于黑体腔体（5）的后端且圆锥角为θ，30°≤θ≤50°，黑体腔体（5）的后端侧壁上均布设有与所述温度传感器（4）长度相等的四个插槽（5-2），黑体腔体（5）各外侧壁（5-3）的宽度大于或等于半导体热电制冷片（6）的长度，黑体腔体（5）的棱数m由出瞳孔（5-1）的面积、黑体腔体的材料和质量、以及环形驱动器的功率和体积来确定；所述m个散热片（7）均是由多个宽度相等的矩形叶片（7-2）以相间形式排列在一个矩形底板（7-1）上而构成的扇形状结构体，矩形底板（7-1）的长度与黑体腔体（5）的外侧壁（5-3）宽度相等，矩形底板（7-1）的宽度与半导体热电制冷片（6）的宽度相等，散热片（7）首尾两个叶片之间的夹角为α且α=360°/m；每个环形驱动器中的m个散热片（7）依次周向相邻，并用圆形扎箍（8）包络固定后构成一个外环为圆形内环为m边形的环状体，内环的m个平面上各粘接一个半导体热电制冷片（6），m个半导体热电制冷片（6）通过导线串联；所述隔热圈（10）为中心带有通孔的凸字形圆柱体，该通孔的直径和出瞳孔（5-1）的直径相等；所述遮光罩（11）含有三个直径不等的圆柱体且大、中、小直径圆柱体依次排列，遮光罩（11）带有轴向中心通孔，轴向中心通孔的直径和所述隔热圈（10）的通孔直径相同，遮光罩（11）的最小直径圆柱体上设有外螺纹；所述n个环形驱动器依次固连套在所述黑体腔体（5）的外壁上而构成常温点源黑体的内胆，相邻环形驱动器之间留有间隙，n个环形驱动器的正负极引线并联或串联；所述散热风扇（2）安装在所述机箱（1）后端面的出风孔（1-3）处，所述内胆通过所述后支架（3）和所述前支架（9）安装在机箱（1）内，其中，黑体腔体（5）的前、后端面分别与前、后支架（9、3）的长板固连，前、后支架（9、3）的短板均和机箱（1）底板固连，黑体腔体（5）的八个插槽中各插入一个温度传感器（4），各温度传感器（4）的引线和内胆的正负极引线分别和温控装置的相应接口相连，所述隔热圈（10）的小圆柱体与前支架（9）的通孔固连且该小圆柱体的端面与黑体腔体（5）的前端面接触，隔热圈（10）大圆柱体的端面与机箱（1）之间留有缝隙，遮光罩（11）的外螺纹与机箱（1）的螺纹孔（1-1）连接且遮光罩（11）的中直径圆柱体（11-2）的端面定位在机箱（1）的前端面处。

2.根据权利要求1所述的常温点源黑体，其特征在于：所述出瞳孔（5-1）由黑体腔体（5）前端面的外侧向内侧扩展为锥孔，该锥孔的大端直径小于黑体腔体（5）内腔圆柱的直径；所述隔热圈（10）的通孔为锥孔，锥孔小端直径位于小圆柱体一端且锥孔的小端直径和出瞳孔（5-1）的小端直径相等，隔热圈（10）的锥孔锥角取值范围为8°～12°，所述遮光罩（11）的通孔为锥孔，其锥角和所述隔热圈（10）的锥孔锥角相等，遮光罩（11）的锥孔小端直径位于自身最小直径圆柱体一端且该锥孔的小端直径和所述隔热圈（10）的锥孔大端直径相同。

3.根据权利要求1或2所述的常温点源黑体，其特征在于：所述n个环形驱动器与所述黑体腔体（5）的外壁之间用导热硅胶固定。

4.根据权利要求1或2所述的常温点源黑体，其特征在于：所述隔热圈（10）与所述机箱（1）之间的缝隙宽度为1mm。