CN105675143B - 一种真空黑体辐射源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于星载定标的真空黑体辐射源，其包括圆柱形的黑体外筒；黑体腔体，所述黑体腔体包括第一部分和第二部分；至少一个加热组件，其用于对所述黑体腔体进行加热，其中，所述黑体腔体位于所述外筒内，在所述黑体腔体和所述外筒之间设置有定位支架。本发明的真空黑体辐射源具有口径大、稳定性好、发射率高和温度范围宽的优点，满足了航天航空黑体的需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种黑体，尤其是涉及一种用于星载定标的真空黑体辐射源。
背景技术
随着红外遥感技术的快速发展，红外遥感被广泛应用于军事领域和地球勘探、天气预报、环境监测等民用领域。然而所有的红外探测仪器都需要经过黑体标定后方可使用，黑体作为标准辐射源，其作用日益突出。如用于辐射温度计、热成像系统等辐射测温设备的标定，研究各种物质表明的热辐射特性以及辅助测量材料表面发射率等。此外，在航空航天领域上，通常用黑体模拟红外目标。航天热红外遥感是天基对地观测系统的重要观测手段，而高精度的星载定标系统(星载黑体)，对于保持红外载荷高稳定性和高精度的观测水平具有决定性作用。
目前，以定量化要求最高的风云气象卫星为例，星上黑体的相对定标精度在1K～2K之间。如风云二号扫描辐射计采用口径20mm腔式黑体，相对定标准确度1.5K～2K，而风云三号A星中分辨率光谱成像仪红外分光计和地球辐射探测仪采用口径150mm和100mm的面黑体，相对定标精度1K～1.5K。为了使得卫星红外遥感量值连接到国际公认的测量标准上，需要不同卫星的红外遥感量值合并成为一个长期的观数据集，降低或者避免卫星之间差异造成的量值漂移的影响，使红外遥感满足对测量精度和长期稳定性的测量要求。基于目前的星上黑体定标精度不高，量值无法计量等制约我国红外遥感发展的瓶颈问题，急需研究新一代星载定标亮度的温度标准黑体。
发明内容
本发明的目的是提供一种满足对测量精度和长期稳定性的测量要求的真空黑体辐射源。
本发明提供了一种用于星载定标的真空黑体辐射源，其包括：圆柱形的黑体外筒；黑体腔体，所述黑体腔体包括第一部分和第二部分；至少一个加热组件，其用于对所述黑体腔体进行加热，其特征在于：所述黑体腔体位于所述外筒内，在所述黑体腔体和所述外筒之间设置有定位支架。
其中，在黑体外筒的一端设置有电路连接板。
其中，所述第一部分和第二部分为一体式结构。
其中，所述至少一个加热组件包括加热丝。
本发明还提供了一种真空黑体辐射源控制系统，其包括前述的真空黑体辐射源，还包括：标准铂电阻温度计组、至少一个温度控制器和测温仪。
其中，所述标准铂电阻温度计组包括至少一支铂电阻温度计。
本发明提供了一种用于风云气象卫星的高稳定性高精度黑体，该黑体为高精密真空黑体辐射源，该黑体辐射源具有口径大、稳定性好、发射率高和温度范围宽的优点，满足了航天航空黑体的需求。
附图说明
图1为本发明的真空黑体辐射源的结构示意图；
图2为真空黑体辐射源的控制系统；
图3为本发明的温度控制器的温度控制原理示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，本领域技术人员应当理解，下述的说明只是为了便于对发明进行解释，而不作为对其范围的具体限定。
图1所示为本发明的真空黑体辐射源的结构示意图。所述真空黑体辐射源包括圆柱形的外筒1，所述外筒1可由金属或其他合适的材料制成，所述外筒1的外围具有不锈钢外壳2，在所述不锈钢外壳2的下方具有用于支撑所述不锈钢外壳2的至少两个支架3，在所述外筒1内具有腔体5，所述腔体5包括第一部分和第二部分，所述第一部分为圆柱形空腔，所述第二部分为圆锥形腔底，所述第一部分和第二部分组装在一起，或者所述第一部分和第二部分为一体式结构，所述腔体5可由一整体块材加工而成，优选所述腔体5第一部分的长度为100-300mm，进一步优选为200mm或218mm，所述腔体5的第一部分的直径优选为60-120mm，进一步优选为80mm或92mm，其中所述腔体5的第一部分和第二部分可采用无氧铜制成，所述第一部分和第二部分可采用不同的材料。所述圆锥形腔底的一侧为向内凹的圆锥形，另一侧为圆柱体的底托，在所述底托上设置有温度计插槽6，所述温度计插槽6的长度为底托最大长度尺寸的一半以上，从而实现插槽内温度计的温度测量的准确性。在所述腔体5的内壁行进一步涂有Pyromark 1200黑漆，所述黑漆涂层发射率为0.92，通过STEEP 3蒙特卡罗模拟软件计算出空腔法向平均有效发射率为0.9962。
在所述腔体的外侧壁上与外筒1的内表面之间设置有定位支架，所述腔体的第一部分和第二部分的连接处的外侧壁上设置有主加热组件7，在第一部分的中间位置的外侧壁处设置有第一附加热组件8，在第一部分的端口位置的外侧壁上设置有第二附加热组件9，如图1所示，在所述主加热组件7、第一附加热组件8和第二附加热组件9的位置处分别具有定位支架，所述定位支架将腔体5固定在黑体的外筒1的内部，从而腔体5的中心轴线与外筒1、外壳2的中心轴线相重合，所述主加热组件7、第一附加热组件8和第二附加热组件9可以为加热丝或加热膜或加热块等形式，当采用加热丝时，在加热丝外采用陶瓷管包裹，并且所述主加热组件7、第一附加热组件8和第二附加热组件9位于外壳2和腔体5之间，另外在每个加热组件的加热位置处设置有测温孔，该测温孔在靠近黑体的腔体外侧壁处，优选所述测温孔位于所述定位支架上，更优选测温孔位于腔体的外侧壁上，所述测温孔用于安装高精度铂电阻温度计，所述铂电阻温度计与所述腔体5的外侧壁尽可能的接触，使得温度计能够监测黑体的腔体中各个位置的温度变化。
为提高黑体的温度稳定性和均匀性，本发明进一步设置第三附加热组件10，所述第三附加热组件作用于黑体腔体5的外侧，优选第三加热组件10为包裹整个外筒1的加热膜，从而对外筒进行整体加热，使得黑体腔体5内部的温场均匀分布，所述第三附加热组件10的外面包裹一层聚四氟乙烯保温层4，所述保温层4与外壳2相接触，因此，保温层4位于第三加热组件10和外壳2之间。针对四个加热组件，本发明采用两级四段方式进行控温，通过主加热组件7，第一附加热组件8，第二附加热组件9和第三附加热组件10进行加热，当采用加热丝时，在加热丝外采用陶瓷管包裹，进一步优选所述加热组件为加热膜，保证加热电路的正常工作。
在黑体外筒1的一端设置有电路连接板11，在所述电路连接板11上设置有控制电路以及各种电子线路，在所述电路连接板上还设置有外部电气接头，在黑体的腔体和电路连接板之间安装了一层用于保温隔热的挡板12，使黑体整体处于一个稳定的温度，减少了环境温度对黑体内部的影响。
如图2所示为真空黑体辐射源的控制系统，黑体辐射源的控温范围为180K～500K，该控制系统包括了如前述的真空黑体部分，标准铂电阻温度计组、四段温度控制器、测温仪以及计算机等部件。其中，标准铂电阻温度计组包括四支Pt100铂电阻温度计，分别为T1、T2、T3和T4，所述四只温度计分别测量对应主加热组件7、第一附加热组件8、第二附加热组件9和第三加热组件10处的温度；1支Pt25铂电阻温度计，其测量位于底托的温度计插槽6位置处的温度，四段温度控制器包括四个加热组件，分别与所述四个加热组件连接的四个PID调节器，四个智能电流表和一台精密测温仪，优选所述测温仪为F500精密测温仪。
为了保证温度均匀性，黑体辐射源采用四路控温，对黑体前、中、后以及保温层四个区域进行独立的温度控制。本发明采用模糊控制的智能化自整定温度控制器，这种新型温度控制器克服了传统PID控制器性能欠佳，适应性差等问题，而且使黑体的稳定时间缩短一半有余，大大提高了控温效率。如图3所示为本发明的控制器的温度控制原理示意图，PID调节器是一种线性调节器，它根据黑体的设定值SV与实际输出值PV构成控制偏差，将偏差的比例(P)，积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，实现对黑体温度的控制。优选用日本岛电的新型高性能0.1级双5位数显大液晶高性能FP23和SR23PID调节器，FP23带有的多达百段的程序作为主控调节控制主加热，三台SR23作为从控控制第一附加热组件8、第二附加热组件9和第三附加热组件10，充分利用两种23调节器带有的多组测量值温度补偿功能，在不同的曲线段做出炉温的不同补偿，再配合FP23的多组PID参数和SR23的区域PID功能，更好的均衡和控制实际的不同区域黑体温度。本发明的精密真空黑体辐射源采用内外双层和四路精密控温方式，通过控制PID调节器，使其余三表跟随主加热进行四路控温。在于真空低温环境下，通过冷辫将黑体与环境冷源进行充分接触，实现对黑体的降温，无需另外设计降温系统。
本发明通过PID调节器显示四支Pt100铂电阻温度计测量的温度值，可以清楚的知道黑体各个位置的温度情况。由F500精密测温仪采集Pt25铂电阻温度计测量的温度作为标准与之比对，更好的了解黑体空腔的温度分布情况。
在测试过程中，将真空黑体辐射源温度升高并且稳定到某个温度值，再用一台TRT2辐射温度计瞄准黑体空腔底部正中，分别向上下左右四个方向移动，每次移动8mm，用辐射温度计测量一个温度值，再继续沿此方向移动，每个方向移动四次，测完这个方向再让辐射温度计再次瞄到空腔底部中点，换个方向继续测量其温度分布，结果显示在30℃时温度均匀性为22mK，通过对更多温度点的测量，发现黑体空腔底部温度均匀性都优于30mK。
测量本发明的真空黑体辐射源温度稳定性的方法是把黑体置于真空低温环境下，让黑体自然冷却到一定温度后通过PID调节器控制升温，升温速率控制在1℃/min左右。当温度升到某个点并且稳定30-50分钟后，用F500精密测温仪采集15分钟的温度值。通过大量实验，得到的数据表明各测试温度点的稳定性均小于10mK，温度稳定性为4.5mk。采用基于控制环境辐射的黑体辐射源发射率测量的方法和控制背景辐射的反射比测量方法对H500黑体空腔进行测量，测得黑体空腔的有效发射率为0.9963，与STEEP 3模拟发射率误差小于0.02％。
实验结果表明，本发明的真空黑体具有温度均匀性和稳定性好、发射率高和温度范围宽的特点，在180K～500K的温度范围内温度稳定性都优于10mK，稳定时间不超过50分钟，空腔底部温度均匀性优于50mK，计算了其发射率为0.9963，在其温度范围内合成标准不确定度(k＝2)为0.06～0.09℃。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (6)
1.一种真空黑体辐射源，其用于星载定标，包括：圆柱形的黑体外筒；黑体腔体，所述黑体腔体包括第一部分和第二部分；至少一个加热组件，其用于对所述黑体腔体进行加热，其特征在于：所述黑体腔体位于所述外筒内，在所述黑体腔体和所述外筒之间设置有定位支架；所述腔体的第一部分和第二部分的连接处的外侧壁上设置有主加热组件，在第一部分的中间位置的外侧壁处设置有第一附加热组件，在第一部分的端口位置的外侧壁上设置有第二附加热组件，进一步设置第三附加热组件，所述第三附加热组件作用于黑体腔体的外侧，第三附加热组件为包裹整个黑体外筒的加热膜，第三附加热组件对外筒进行整体加热，所述第三附加热组件的外面包裹一层聚四氟乙烯保温层。
2.如权利要求1所述的真空黑体辐射源，其特征在于：在黑体外筒的一端设置有电路连接板。
3.如权利要求1所述的真空黑体辐射源，其特征在于：所述第一部分和第二部分为一体式结构。
4.如权利要求1所述的真空黑体辐射源，其特征在于：所述至少一个加热组件包括加热丝。
5.一种真空黑体辐射源控制系统，其包括如权利要求1至4中任一项的真空黑体辐射源，还包括：标准铂电阻温度计组、至少一个温度控制器和测温仪。
6.如权利要求5所述的真空黑体辐射源控制系统，其特征在于：所述标准铂电阻温度计组包括至少一支铂电阻温度计。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |