CN104422520B - 高精度多模黑体辐射源 - Google Patents
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Abstract
本发明属于航空航天热红外通道测试标定技术领域，具体涉及一种高精度多模黑体辐射源。两个Pt1000传感器分别测量辐射面温度和目标的背景温度，黑体辐射源控制器里面的两路Pt1000信号处理电路将两个Pt1000传感器测量的温度信号分别进行处理运算，送入中心处理器中，中心处理器通过检测背景温度和辐射板温度，与预先设定温度或温差进行比较，产生两路PWM信号PWM1、PWM2，经过光电隔离电路控制黑体驱动电路输出电流的大小和方向，从而控制流过热电制冷器的电流和方向，进而控制了热电制冷器加热或制冷功率的大小，达到使黑体辐射源辐射体辐射能量稳定在设定值的目的。本发明实现了对黑体辐射面和目标背景温度的双通道检测，满足了目前红外探测领域的多种需求。
Description
技术领域
本发明属于航空航天热红外通道测试标定技术领域，具体涉及一种高精度多模黑体辐射源。
背景技术
黑体辐射源作为稳定的目标源，广泛应用于红外目标模拟及测试领域，但是同时具备温差和温度多种工作模式的高精度黑体辐射源，尚未有专利公开。航空航天领域的红外成像制导是利用红外导引头对包含背景的目标进行成像，形成目标和周围背景的红外图像，利用红外目标和背景间的热辐射差及特定目标的形状，实现自动导引，根据检索，目前的面源黑体仅局限于单一工作模式，尚不能与目标背景进行差分设置，尚不能工作于温差模式下，不能满足目前的红外探测的需要，其实现形式多采用电阻丝加热的方式，电加热丝热惯性大，不利用高精度控制，并且要工作在高于环境温度的场合，局限性较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高精度多模黑体辐射源，满足当前红外成像设备的测试需求。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种高精度多模黑体辐射源，其包括黑体辐射源辐射体和黑体辐射源控制器，所述黑体辐射源控制器包括中心处理器、光电隔离电路、黑体驱动电路和两路PT1000信号处理电路；所述黑体辐射源辐射体包括连接器、通风孔、底板、外壳、散热扇、支柱、散热片、背板、保温层、螺钉、前档板、校准孔、热电制冷器、发射板、两个Pt1000传感器；
在发射板和外壳之间填充保温层；所述发射板上开有校准孔；PT1000传感器嵌入到发射板里面，热电制冷器的热面与发射板粘接，二者整体镶嵌到保温层里面，用螺钉将前档板、保温层和背板固定，压紧热电制冷器和发射板；散热片固定到背板上，采用了散热扇进行主动式风冷散热，散热扇通过四个支柱与散热片连接，外壳上留出通风孔，热电制冷器的电源线、PT1000传感器的导线和散热扇的电源线通过连接器与黑体辐射源控制器连接；
所述两个Pt1000传感器分别测量辐射面温度和目标的背景温度，黑体辐射源控制器里面的两路Pt1000信号处理电路将两个Pt1000传感器测量的温度信号分别进行处理运算，送入中心处理器中，中心处理器通过检测背景温度和辐射板温度，与预先设定温度或温差进行比较，产生两路PWM信号PWM1、PWM2，经过光电隔离电路控制黑体驱动电路输出电流的大小和方向，从而控制流过热电制冷器的电流和方向，进而控制了热电制冷器加热或制冷功率的大小，达到使黑体辐射源辐射体辐射能量稳定在设定值的目的。
所述外壳采用不锈钢材料。
所述发射板采用紫铜材料，其导热系数为366W/（m2·K），厚度14mm，尺寸为51mm×51mm，有效辐射面半径R=25.5mm；发射板的辐射面刻划细密的三角形沟槽，沟槽的角度为60度，使表面近似漫反射；发射板采用喷砂处理，经过酸洗去污后，在表面喷涂高发射率红外涂料。
所述保温层为耐火材料硅酸铝纤维，其导热系数为0.02W/（m2·K）。
所述前档板进行抛光处理。
所述热电制冷器的热面通过导热硅脂与发射板粘接。
用6个M4螺钉将前档板、保温层和背板固定，压紧热电制冷器和发射板，通过改变6个螺钉的预紧力，调整热电制冷器和发射板的接触力度，有效地调整发射板的受热均匀性。
所述中心处理器型号为DSP2812。
所述黑体驱动电路采用参数互补的MOSFET场效应管Q5、Q6、Q7、Q8组成全桥驱动电路；P沟道场效应管Q5的源极和N沟道场效应管Q7的漏极之间设置有由功率电感L1和瓷片电容C3组成LC滤波电路；P沟道场效应管Q6的源极和N沟道场效应管Q8的漏极之间设置有由功率电感L2和瓷片电容C4组成LC滤波电路；电解电容C1、C2并联设置在+12V电压和地线之间，+12V电压还分别与电阻R3、R4、R5、R6的一端、P沟道场效应管Q5的漏极、P沟道场效应管Q6的漏极连接；P沟道场效应管Q5的栅极分别与电阻R3的另一端、三极管Q1的集电极连接，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的基极与加热信号TEC_Heat之间设置有电阻R1；N沟道场效应管Q7的栅极分别与电阻R4的另一端、三极管Q3的集电极连接，三极管Q3的发射极接地，三极管Q3的基极与加热信号TEC_Heat之间设置有电阻R2；P沟道场效应管Q6的栅极分别与电阻R5的另一端、三极管Q2的集电极连接，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的基极与制冷信号TEC_Cool之间设置有电阻R7；N沟道场效应管Q8的栅极分别与电阻R6的另一端、三极管Q4的集电极连接，三极管Q4的发射极接地，三极管Q4的基极与制冷信号TEC_Cool之间设置有电阻R8；所述加热信号TEC_Heat和制冷信号TEC_Cool是所述黑体驱动电路的输入信号，为PWM1和PWM2经光电隔离电路后输出的控制信号。
当加热信号TEC_Heat为高电平、制冷信号TEC_Cool为低电平时，左桥臂三极管Q1、Q3导通，P沟道场效应管Q5导通，N沟道场效应管Q7截止关断，右桥臂三极管Q2、Q4截止，N沟道场效应管Q8导通，P沟道场效应管Q6截止，电流方向从FETC+（热电制冷器正端）到FETC-（热电制冷器负端）；反之，当加热信号TEC_Heat为低电平、制冷信号TEC_Cool为高电平时，左桥臂三极管Q1、Q3截止，N沟道场效应管Q7导通，P沟道场效应管Q5截止，右桥臂三极管Q2、Q4导通，P沟道场效应管Q6导通，N沟道场效应管Q8截止，电流方向从FETC-（热电制冷器负端）到FETC+（热电制冷器正端）；当加热信号TEC_Heat、制冷信号TEC_Cool同时为低电平或高电平时，热电制冷器无电流流过；通过控制加热TEC_Heat和制冷信号TEC_Cool的占空比，实现热电制冷器两端平均电压变化，达到控制加热和制冷功率的目的。
本发明所取得的有益效果为：
本发明所述高精度多模黑体辐射源实现了对黑体辐射面和目标背景温度的双通道检测，达到目标与背景差分的效果，温度范围能够从0℃到100℃，覆盖了红外成像设备测试需要的温度段，用户能够通过面板进行模式自由切换，使黑体工作于设定温差或设定温度模式下，满足了目前红外探测领域的多种需求，本发明中采用了热电制冷器作为加热、制冷部件，结构简单、体积紧凑，采用场效应管组成黑体驱动电路，达到快速响应的目的，实现了很好的控制效果。
在多模面源黑体辐射源中首次采用Pt1000作为温度传感器，克服了系统噪声会对测量精度影响较大的缺点，极大地提高了测量精度和抗干扰能力。中心处理器根据设定温度或温差与目标实测温度比较计算产生PWM驱动信号，控制热电制冷器对发射板的加热和制冷。
辐射体结构采用串联结构形式，发射板表面新型了独特处理，采用环形三角形沟槽形式，然后做喷砂表面处理，使辐射面形成漫反射，提高辐射体的发射率，经过实验和标定，该种方式的发射率最高，温度均匀性不受影响。辐射体通过电缆连接器与黑体辐射源控制器连接，进行信号传输。
采用场效应管组成功率调节和全桥电流换向驱动电路，解决了传统驱动电路中采用继电器驱动造成的电路频率低、响应速度慢、触点热噪声大、使用寿命短等缺点。
附图说明
图1为本发明所述高精度多模黑体辐射源组成图；
图2为本发明所述高精度多模黑体辐射源的辐射体结构图I；
图3为本发明所述高精度多模黑体辐射源的辐射体结构图II；
图4为本发明所述高精度多模黑体辐射源的辐射体的发射板结构图I；
图5为本发明所述高精度多模黑体辐射源的辐射体的发射板结构图II；
图6为本发明所述高精度多模黑体辐射源的控制器的黑体驱动电路结构图；
图中：1、连接器；2、通风孔；3、底板；4、外壳；5、散热扇；6、支柱；7、散热片；8、背板；9、保温层；10、螺钉；11、前档板；12、校准孔；13、热电制冷器；14、发射板；15、Pt1000传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明所述高精度多模黑体辐射源包括黑体辐射源辐射体和黑体辐射源控制器，所述黑体辐射源控制器包括中心处理器、光电隔离电路、黑体驱动电路和两路PT1000信号处理电路；如图2、图3所示，所述黑体辐射源辐射体包括连接器1、通风孔2、底板3、外壳4、散热扇5、支柱6、散热片7、背板8、保温层9、螺钉10、前档板11、校准孔12、热电制冷器13、发射板14、两个Pt1000传感器15；
所述外壳4采用不锈钢材料；所述发射板14采用热容高、导热性好的紫铜，其导热系数为366W/（m2·K），在发射板14和外壳4之间填充保温层9，保温层9为耐火材料硅酸铝纤维，导热系数为0.02W/（m2·K），在加热或制冷过程中铜板底部受热不会绝对均匀，铜板厚度太薄，会影响发射免得温度均匀性，铜板太厚又会影响升/降温速率，根据温度场分布模拟和计算结果，当发射板14的参数为：厚度14mm，尺寸为51mm×51mm，有效辐射面半径R=25.5mm时，既能保证表面温度均匀性又能获得较快的升/降温速率，如图4、图5所示，发射板14的辐射面刻划细密的三角形沟槽，沟槽的角度为60度，使表面近似漫反射，通过实验验证该角度在提高辐射源的发射率同时又不影响其均匀性，发射板14采用喷砂处理，经过酸洗去污后，在表面喷涂高发射率红外涂料；所述发射板14上开有校准孔12，通过校准温度传感器插入到校准孔12中，在5～90之间选取18个点进行测试，每点均取100次测量数据求平均，测出黑体辐射面实际温度，最终测试结果如表1所示；前档板11要进行抛光处理，降低其发射率，以减少辐射散热损失；黑体辐射源辐射体结构设计中采用了串联组成模式，PT1000传感器15嵌入到发射板14里面，热电制冷器13的热面通过导热硅脂与发射板14粘接，然后将二者整体镶嵌到保温层9里面，保温层9经过磨具加工成需要的形状，用6个M4螺钉10将前档板11、保温层9和背板8固定，压紧热电制冷器13和发射板14，通过改变6个螺钉10的预紧力，可以调整热电制冷器13和发射板14的接触力度，能够有效地调整发射板14的受热均匀性；散热片7固定到背板8上，将热电制冷器13的冷端的能量散掉，为增加散热效果，采用了散热扇5进行主动式风冷散热，散热扇5通过四个支柱6与散热片7连接，外壳4上留出通风孔2，便于空气流通，热电制冷器13的电源线、PT1000传感器15的导线和散热扇5的电源线通过连接器1与黑体辐射源控制器连接；
所述两个Pt1000传感器15用于测量辐射面温度和目标的背景温度，Pt1000传感器15作为黑体辐射源温度控制的反馈回路，黑体辐射源控制器里面的两路Pt1000信号处理电路将两个Pt1000传感器15测量的温度信号分别进行处理运算，送入中心处理器DSP2812中，中心处理器DSP2812通过检测背景温度和辐射板温度，与预先设定温度或温差进行比较，产生两路PWM信号PWM1、PWM2，经过光电隔离电路控制黑体驱动电路输出电流的大小和方向，从而控制流过热电制冷器13的电流和方向，进而控制了热电制冷器13加热或制冷功率的大小，达到使黑体辐射源辐射体辐射能量稳定在设定值的目的。
如图6所示，所述黑体驱动电路采用参数互补的MOSFET场效应管Q5、Q6、Q7、Q8组成全桥驱动电路，具有响应速度快、切换噪声低，开关频率高等特点，通过试验验证，该驱动电路能够很好地满足高精度控制要求；P沟道场效应管Q5的源极和N沟道场效应管Q7的漏极之间设置有由功率电感L1和瓷片电容C3组成LC滤波电路；P沟道场效应管Q6的源极和N沟道场效应管Q8的漏极之间设置有由功率电感L2和瓷片电容C4组成LC滤波电路；电解电容C1、C2并联设置在+12V电压和地线之间，+12V电压还分别与电阻R3、R4、R5、R6的一端、P沟道场效应管Q5的漏极、P沟道场效应管Q6的漏极连接；P沟道场效应管Q5的栅极分别与电阻R3的另一端、三极管Q1的集电极连接，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的基极与加热信号TEC_Heat之间设置有电阻R1；N沟道场效应管Q7的栅极分别与电阻R4的另一端、三极管Q3的集电极连接，三极管Q3的发射极接地，三极管Q3的基极与加热信号TEC_Heat之间设置有电阻R2；P沟道场效应管Q6的栅极分别与电阻R5的另一端、三极管Q2的集电极连接，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的基极与制冷信号TEC_Cool之间设置有电阻R7；N沟道场效应管Q8的栅极分别与电阻R6的另一端、三极管Q4的集电极连接，三极管Q4的发射极接地，三极管Q4的基极与制冷信号TEC_Cool之间设置有电阻R8；
当加热信号TEC_Heat为高电平、制冷信号TEC_Cool为低电平时，左桥臂三极管Q1、Q3导通，P沟道场效应管Q5导通，N沟道场效应管Q7截止关断，右桥臂三极管Q2、Q4截止，N沟道场效应管Q8导通，P沟道场效应管Q6截止，电流方向从FETC+（热电制冷器13正端）到FETC-（热电制冷器13负端）；反之，当加热信号TEC_Heat为低电平、制冷信号TEC_Cool为高电平时，左桥臂三极管Q1、Q3截止，N沟道场效应管Q7导通，P沟道场效应管Q5截止，右桥臂三极管Q2、Q4导通，P沟道场效应管Q6导通，N沟道场效应管Q8截止，电流方向从FETC-（热电制冷器13负端）到FETC+（热电制冷器13正端）；当加热信号TEC_Heat、制冷信号TEC_Cool同时为低电平或高电平时，热电制冷器无电流流过。通过控制加热TEC_Heat和制冷信号TEC_Cool的占空比，实现热电制冷器两端平均电压变化，达到控制加热和制冷功率的目的。
其中，加热信号TEC_Heat和制冷信号TEC_Cool是图1中所示的黑体驱动电路的输入信号，为PWM1和PWM2经光电隔离电路后输出的控制信号，FETC+和FETC-分别是热电制冷器输入的正端和负端；功率电感L1、L2和瓷片电容C3、C4组成LC滤波电路，用于消除谐波分量，减小流过热电制冷器13的纹波；3.3KΩ电阻R1、R2、R7、R8和1KΩ电阻R3、R4、R5、R6起限流作用，电解电容C1、C2对电源的纹波噪声进行滤波；黑体驱动电路经试验验证该电路满足相应速度快、切换噪声低，开关频率高等要求。
表1实测温度与标准温度数据
Claims (10)
1.一种高精度多模黑体辐射源，其特征在于：其包括黑体辐射源辐射体和黑体辐射源控制器，所述黑体辐射源控制器包括中心处理器、光电隔离电路、黑体驱动电路和两路Pt1000信号处理电路；所述黑体辐射源辐射体包括连接器(1)、通风孔(2)、底板(3)、外壳(4)、散热扇(5)、支柱(6)、散热片(7)、背板(8)、保温层(9)、螺钉(10)、前挡板(11)、校准孔(12)、热电制冷器(13)、发射板(14)、两个Pt1000传感器(15)；
在发射板(14)和外壳(4)之间填充保温层(9)；所述发射板(14)上开有校准孔(12)；Pt1000传感器(15)嵌入到发射板(14)里面，热电制冷器(13)的热面与发射板(14)粘接，二者整体镶嵌到保温层(9)里面，用螺钉(10)将前挡板(11)、保温层(9)和背板(8)固定，压紧热电制冷器(13)和发射板(14)；散热片(7)固定到背板(8)上，采用了散热扇(5)进行主动式风冷散热，散热扇(5)通过四个支柱(6)与散热片(7)连接，外壳(4)上留出通风孔(2)，热电制冷器(13)的电源线、Pt1000传感器(15)的导线和散热扇(5)的电源线通过连接器(1)与黑体辐射源控制器连接；
所述两个Pt1000传感器(15)分别测量辐射面温度和目标的背景温度，黑体辐射源控制器里面的两路Pt1000信号处理电路将两个Pt1000传感器(15)测量的温度信号分别进行处理运算，送入中心处理器中，中心处理器通过检测背景温度和辐射板温度，与预先设定温度或温差进行比较，产生两路PWM信号PWM1、PWM2，经过光电隔离电路控制黑体驱动电路输出电流的大小和方向，从而控制流过热电制冷器(13)的电流和方向，进而控制了热电制冷器(13)加热或制冷功率的大小，达到使黑体辐射源辐射体辐射能量稳定在设定值的目的。
2.根据权利要求1所述的高精度多模黑体辐射源，其特征在于：所述外壳(4)采用不锈钢材料。
3.根据权利要求1所述的高精度多模黑体辐射源，其特征在于：所述发射板(14)采用紫铜材料，其导热系数为366W/(m2·K)，厚度14mm，尺寸为51mm×51mm，有效辐射面半径R＝25.5mm；发射板(14)的辐射面刻划细密的三角形沟槽，沟槽的角度为60度，使表面近似漫反射；发射板(14)采用喷砂处理，经过酸洗去污后，在表面喷涂高发射率红外涂料。
4.根据权利要求1所述的高精度多模黑体辐射源，其特征在于：所述保温层(9)为耐火材料硅酸铝纤维，其导热系数为0.02W/(m2·K)。
5.根据权利要求1所述的高精度多模黑体辐射源，其特征在于：所述前挡板(11)进行抛光处理。
6.根据权利要求1所述的高精度多模黑体辐射源，其特征在于：所述热电制冷器(13)的热面通过导热硅脂与发射板(14)粘接。
7.根据权利要求1所述的高精度多模黑体辐射源，其特征在于：用6个M4螺钉(10)将前挡板(11)、保温层(9)和背板(8)固定，压紧热电制冷器(13)和发射板(14)，通过改变6个螺钉(10)的预紧力，调整热电制冷器(13)和发射板(14)的接触力度，有效地调整发射板(14)的受热均匀性。
8.根据权利要求1所述的高精度多模黑体辐射源，其特征在于：所述中心处理器型号为DSP2812。
9.根据权利要求1所述的高精度多模黑体辐射源，其特征在于：所述黑体驱动电路采用参数互补的MOSFET场效应管Q5、Q6、Q7、Q8组成全桥驱动电路；P沟道场效应管Q5的源极和N沟道场效应管Q7的漏极之间设置有由功率电感L1和瓷片电容C3组成LC滤波电路；P沟道场效应管Q6的源极和N沟道场效应管Q8的漏极之间设置有由功率电感L2和瓷片电容C4组成LC滤波电路；电解电容C1、C2并联设置在+12V电压和地线之间，+12V电压还分别与电阻R3、R4、R5、R6的一端、P沟道场效应管Q5的漏极、P沟道场效应管Q6的漏极连接；P沟道场效应管Q5的栅极分别与电阻R3的另一端、三极管Q1的集电极连接，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的基极与加热信号TEC_Heat之间设置有电阻R1；N沟道场效应管Q7的栅极分别与电阻R4的另一端、三极管Q3的集电极连接，三极管Q3的发射极接地，三极管Q3的基极与加热信号TEC_Heat之间设置有电阻R2；P沟道场效应管Q6的栅极分别与电阻R5的另一端、三极管Q2的集电极连接，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的基极与制冷信号TEC_Cool之间设置有电阻R7；N沟道场效应管Q8的栅极分别与电阻R6的另一端、三极管Q4的集电极连接，三极管Q4的发射极接地，三极管Q4的基极与制冷信号TEC_Cool之间设置有电阻R8；所述加热信号TEC_Heat和制冷信号TEC_Cool是所述黑体驱动电路的输入信号，为PWM1和PWM2经光电隔离电路后输出的控制信号。
10.根据权利要求9所述的高精度多模黑体辐射源，其特征在于：当加热信号TEC_Heat为高电平、制冷信号TEC_Cool为低电平时，左桥臂三极管Q1、Q3导通，P沟道场效应管Q5导通，N沟道场效应管Q7截止关断，右桥臂三极管Q2、Q4截止，N沟道场效应管Q8导通，P沟道场效应管Q6截止，电流方向从FETC+(热电制冷器(13)正端)到FETC-(热电制冷器(13)负端)；反之，当加热信号TEC_Heat为低电平、制冷信号TEC_Cool为高电平时，左桥臂三极管Q1、Q3截止，N沟道场效应管Q7导通，P沟道场效应管Q5截止，右桥臂三极管Q2、Q4导通，P沟道场效应管Q6导通，N沟道场效应管Q8截止，电流方向从FETC-(热电制冷器(13)负端)到FETC+(热电制冷器(13)正端)；当加热信号TEC_Heat、制冷信号TEC_Cool同时为低电平或高电平时，热电制冷器无电流流过；通过控制加热TEC_Heat和制冷信号TEC_Cool的占空比，实现热电制冷器两端平均电压变化，达到控制加热和制冷功率的目的。
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- 2013-08-21 CN CN201310367651.XA patent/CN104422520B/zh active Active
Patent Citations (3)
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