CN103954365A - 一种面辐射源黑体 - Google Patents

Abstract

一种面辐射源黑体，包括黑体辐射面组件、数显温控仪、为黑体辐射面组件及数显温控仪供电的电源模块以及接受数显温控仪的指令进行通断的继电器组，黑体辐射面组件包括辐射面、半导体制冷片组、换热系统以及热电偶，半导体制冷片组夹在辐射面和换热系统之间，用于检测辐射面温度的热电偶与数显温控仪相连接，半导体制冷片组通过由数显温控仪控制的继电器组与电源模块连接，并藉由继电器组的通断切换施加在半导体制冷片组上的电流方向，所述各部件集成一体设置在一壳体内。本发明升温快，能在5min内将辐射面从常温升高至90°C并稳定；制冷能力强，辐射温度可降到比室温低10°C，温度非均匀性小于0.2℃，另外体积小，能耗低，节约能源。

Description

一种面辐射源黑体

技术领域

本发明涉及一种用于对红外测温、红外成像等各种形式的辐射探测器进行标定的黑体，尤其是涉及一种面辐射源黑体。

背景技术

一切温度高于绝对温度（-273℃）的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量，物体的红外辐射特性、辐射能量的大小和波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因此通过测量物体自身辐射的红外能量，便能准确地测定它的表面温度，这是红外辐射测温所依据的客观基础。

黑体是一种理想物体，它的发射率和吸收率都为1，即能在任何温度下全部吸收所有波长的辐射，并能最大限度地发出辐射。在现实中并不存在理想的黑体。但可以用某种装置近似地代替黑体。

一个带有小孔的密闭空腔，并且小孔相对于空腔足够小，不会妨碍空腔内的平衡。在温度T下，空腔壁也跟其他固体一样，不断辐射电磁波，腔内形成一辐射场，经过一定时间，腔内的辐射场与腔壁达到了热平衡。这时平衡辐射的性质只依赖于温度，与腔壁的其他性质无关。由于小孔是腔上的一部分，也处于同样的温度，因此，小孔的辐射性质就代表了空腔内的辐射性质。这个小孔的辐射可以看做是黑体辐射，它的发射率非常接近1，这样的空腔被称为黑体空腔。可以将空腔上的小孔近似地看成黑体。黑体受热以电磁波的形式向外辐射能量，是一种理想的辐射源，被称为黑体辐射源。

黑体辐射的辐射光谱中不同辐射亮度可用来标定温度，在实际应用中，把黑体辐射源用于对红外测温、红外成像等各种形式的辐射探测器进行标定。黑体辐射源近几十年来随着红外测温技术的发展而取得了飞速的发展，温度均匀性是黑体辐射源的重要指标之一，是黑体辐射源设计的重要方面。

传统的黑体空腔一般都被制成具有简单几何形状的腔体，但是简单的黑体空腔往往开口较小，适用于中、高温条件下工作，为了满足中低温条件下工作的要求，人们将辐射源表面做成复杂的表面（如环形V型槽和蜂窝状表面），称为面辐射源，这样的黑体被称做面辐射源黑体。

现有技术中，面辐射源黑体主要通过加热丝或加热棒进行加热，加热过程中通过风冷或水冷进行降温，以实现面辐射源在一个相对恒定的温度下进行工作。但是这种加热及冷却的方式无法在低温下做到室温以下，且降温时间长，并且导致加热的面均匀性不好。另外，现有面辐射源黑体大多数是控制部分与辐射源为相对独立的部件，中间需要通过电缆连接，移动比较麻烦。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种面辐射源黑体，可以将面辐射源温度降到比室温低10℃的低温，并且本发明控制部分与面辐射源共同设置在同一个壳体内，成一体化结构，结构紧凑，体积小，便于携带移动。

本发明为了解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种面辐射源黑体，包括黑体辐射面组件、数显温控仪、为黑体辐射面组件及数显温控仪供电的电源模块以及接受数显温控仪的指令进行通断的继电器组，所述的黑体辐射面组件包括辐射面、半导体制冷片组、散热系统以及热电偶，半导体制冷片组夹在辐射面和散热系统之间，用于检测辐射面温度的热电偶与数显温控仪相连接，所述的半导体制冷片组通过由数显温控仪控制的继电器组与电源模块连接，并藉由继电器组的通断切换施加在半导体制冷片组上的电流方向。

进一步地，所述的散热系统包括散热器和风扇，所述的风扇与电源模块连接。

进一步地，所述的继电器组包括第一继电器、第二继电器、第三继电器和第四继电器，其中第一继电器和第四继电器的控制端与数显温控仪的一对温控输出接线脚连接，第二继电器和第三继电器的控制端与数显温控仪的另外一对温控输出接线脚连接，所述半导体制冷片组的一侧引线通过第一继电器和第三继电器分别连接至电源模块输出端的正极和负极，半导体制冷片组的另一侧引线通过第二继电器和第四继电器分别连接至电源模块输出端的正极和负极。

进一步地，所述的第一继电器、第二继电器、第三继电器和第四继电器均为固态继电器。

进一步地，所述电源模块输出电压为24V。

进一步地，所述的半导体制冷片组中设有四片呈田字形排列的半导体制冷片，所述的热电偶设置在四片半导体制冷片的交界处。

进一步地，所述的四片半导体制冷片两个一组，分别串联后，两组之间并联连接。

进一步地，还包括一个壳体，所述的黑体辐射面组件、数显温控仪、电源模块、以及继电器组均设置在壳体内。

本发明的有益效果是：

1、根据本发明，加热器件采用4片半导体制冷片，升温速度快，能在5min内从常温升高至90°C并稳定；并且半导体制冷片组反向导通时可以制冷，散热系统采用散热器与风扇强制风冷相结合的方法，散热器的散热片采用导热性好、易加工的铝散热片，并用风扇对其进行强制风冷，配合半导体制冷片组的制冷，制冷效果明显，最低可根据需要降到比室温低10℃。

2、辐射面可达100mm×100mm，温度非均匀性小于0.2℃，而且半导体制冷片单片工作功耗仅约30W，整个面源黑体功耗不超过150W，能耗低，节约能源。

3、本发明采用黑体辐射面组件与继电器组合及温控仪组成的控制部分成一体设计在一个壳体里，在壳体外的上部有一个宽柄把手，结构紧凑，移动方便。

4、因为本发明将黑体辐射面组件与继电器组合及温控仪组成的控制部分成一体设计，因此相对于市面上现有面黑体辐射源而言，具有体积小、质量轻等优点，整体尺寸可小到仅为107mm（L）??184 mm（W）??236 mm（H），重量为5Kg。

附图说明

图1为本发明去掉壳体的顶板和侧板后的结构示意图。

图2为黑体辐射面组件结构示意图。

图3为图2去掉辐射面之后的结构示意图。

图4为本发明电气控制原理图。

图5为本发明前面结构示意图。

图中，1、黑体辐射面组件，101、辐射面，102、散热器，103、热电偶，104、半导体制冷片组，2、支架 ，3、继电器组，4、壳体前面板，5、数显温控仪，6、后面板，7，电源开关，8、风扇，9、插座，10、电源模块，11、螺钉孔，12、把手。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步具体详细的说明。

如图1-4所示，一种面辐射源黑体，包括黑体辐射面组件1、数显温控仪5（也就是图4中的wk）、为黑体辐射面组件1及数显温控仪5提供电力的电源模块10以及接受数显温控仪5的指令进行通断的继电器组3，所述的黑体辐射面组件1包括辐射面101、半导体制冷片组104、散热系统以及热电偶103，半导体制冷片组104夹在辐射面101和散热系统之间，用于检测辐射面101温度的热电偶103与数显温控仪5相连接，所述的半导体制冷片组104通过由数显温控仪5控制的继电器组3与电源模块10连接，数显温控仪5根据热电偶103传递过来的热信号，藉由继电器组3的通断切换施加在半导体制冷片组104上的电流方向，从而控制半导体制冷片104制冷或制热的状态，从而最终对辐射面101的温度进行控制，以保证其温度的均匀和恒定。

所述的散热系统包括散热器102和风扇8，所述的风扇8与电源模块10连接。

所述的继电器组包括第一继电器、第二继电器、第三继电器和第四继电器，其中第一继电器和第四继电器的控制端与数显温控仪的一对温控输出接线脚连接，第二继电器和第三继电器的控制端与数显温控仪的另外一对温控输出接线脚连接，所述半导体制冷片组104的一侧引线通过第一继电器和第三继电器分别连接至电源模块10输出端的正极和负极，半导体制冷片组104的另一侧引线通过第二继电器和第四继电器分别连接至电源模块10输出端的正极和负极。

如图5所示，本实施方式所述的数显温控仪采用的是UT150温控仪，继电器组为四个固态继电器即第一固态继电器k1、第二固态继电器k2，第三固态继电器k3和第四固态继电器k4，第二固态继电器k2和第三固态继电器k3的输入端正极分别与数显温控仪的温控输出接线脚的正极（本实施方式为第14接脚）相连接，第二固态继电器k2和第三固态继电器k3的输入端负极分别与数显温控仪的同一对温控输出接线脚的负极（本实施方式为第15接脚）相连接，第二固态继电器k2的输出端正极与电源模块10的正极相连接，第二固态继电器k2的输出端负极与半导体制冷片组104的正极相连接，半导体制冷片组104的负极与第三固态继电器k3的输出端正极相连接，第三固态继电器k3的输出端负极与电源模块10的负极相连接；第一固态继电器k1和第四继电器的输入端正极分别与数显温控仪的另一对温控输出接线脚的正极（本实施方式为第1接脚）相连接，第一固态继电器k1和第四继电器k4的输入端负极分别与数显温控仪的同一对温控输出接线脚的负极（本实施方式为第2接脚）相连接，第一固态继电器k1的输出端正极与电源模块10的正极相连接，第一固态继电器k1的输出端负极与半导体制冷片组104的负极相连接，半导体制冷片组104的正极与第四固态继电器k4的输出端正极相连接，第四固态继电器k4的输出端负极与电源模块10的负极相连接，所述电源模块10内设有变压器，其可将外部AC220V转化为+24V作为输出电压，为黑体辐射面组件1及数显温控仪5提供电能源。

所述的半导体制冷片组104中设有四片呈田字形排列的半导体制冷片，所述的热电偶103设置在四片半导体制冷片的交界处。

所述的四片半导体制冷片两个一组，分别串联后，两组之间并联连接，如图4，R1-R4即为所述的四片半导体制冷片。

这样，当热电偶103（即图4中的T）测量到的温度低于设定温度时，第二固态继电器k2和第三固态继电器k3导通，半导体制冷片组正向导通，开始加热；当热电偶103测量到的温度等于设定温度时，四个继电器全部关断，辐射面101保持此时的温度；当热电偶103测量到的温度高于设定温度时，第一固态继电器k1和第四固态继电器k4导通，半导体制冷片组104反向导通开始制冷，并结合散热器和风扇的使用开始对辐射面进行降温制冷，从而实现对辐射面温度的控制。

还包括一个壳体，所述的黑体辐射面组件1、数显温控仪5、电源模块10、以及继电器组合3均设置在该壳体内。数显温控仪5、电源模块10、以及继电器组3分别安装在作为支架2的夹板的上下两侧，由夹板为它们提供支撑；黑体辐射面组件1中，散热热系统的风扇固定在壳体后面板上，如图1所示，其可将设置于其前面的散热器102散发的热量吹出壳体，为设备提供强制风冷散热，散热器采用导热性好、易加工的铝散热片进行散热；半导体制冷片组104夹在散热器和辐射面101之间，呈三明治结构，辐射面101采用金属材料紫铜做基板，本实施例辐射源表面采用V型槽，用高发射率的涂料喷涂辐射面，涂料后辐射面的辐射系数约为0.96，且为全波段辐射，如图5所示，在壳体前面板辐射面的四周分布有四个螺钉孔11，可用来安装红外准直系统，从而输出平行光，用以检测各种红外成像装置的性能。

在壳体的顶部还设有把手12，便于携带移动。

Claims (8)

1.一种面辐射源黑体，包括黑体辐射面组件（1）、数显温控仪（5）、为黑体辐射面组件（1）及数显温控仪（5）供电的电源模块（10）以及接受数显温控仪（5）的指令进行通断的继电器组（3），其特征在于：所述的黑体辐射面组件（1）包括辐射面（101）、半导体制冷片组（104）、散热系统以及热电偶（103），半导体制冷片组（104）夹在辐射面（101）和散热系统之间，用于检测辐射面（101）温度的热电偶（103）与数显温控仪（5）相连接，所述的半导体制冷片组（104）通过由数显温控仪（5）控制的继电器组（3）与电源模块（10）连接，并藉由继电器组（3）的通断切换施加在半导体制冷片组（104）上的电流方向。

2.根据权利要求1所述的一种面辐射源黑体，其特征在于：所述的散热系统包括散热器（102）和风扇（8），所述的风扇（8）与电源模块（10）连接。

3.根据权利要求2所述的一种面辐射源黑体，其特征在于：所述的继电器组包括第一继电器、第二继电器、第三继电器和第四继电器，其中第一继电器和第四继电器的控制端与数显温控仪的一对温控输出接线脚连接，第二继电器和第三继电器的控制端与数显温控仪的另外一对温控输出接线脚连接，所述半导体制冷片组（104）的一侧引线通过第一继电器和第三继电器分别连接至电源模块（10）的正极和负极，半导体制冷片组（104）的另一侧引线通过第二继电器和第四继电器分别连接至电源模块（10）的正极和负极。

4.根据权利要求3所述的一种面辐射源黑体，其特征在于：所述的第一继电器、第二继电器、第三继电器和第四继电器均为固态继电器。

5.根据权利要求3所述的一种面辐射源黑体，其特征在于：所述电源模块（10）的输出电压为24V。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种面辐射源黑体，其特征在于：所述的半导体制冷片组（104）中设有四片呈田字形排列的半导体制冷片，所述的热电偶（103）设置在四片半导体制冷片的交界处。

7.根据权利要求6所述的一种面辐射源黑体，其特征在于：所述的四片半导体制冷片两个一组，分别串联后，两组之间并联连接。

8.根据权利要求1-5任一项所述的一种面辐射源黑体，其特征在于：还包括一个壳体，所述的黑体辐射面组件（1）、数显温控仪（5）、电源模块（10）、以及继电器组（3）均设置在壳体内。