CN106053356A - 基于辐射量测量的金属凝固点黑体有效发射率测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于辐射量测量的金属凝固点黑体有效发射率测量系统及方法，属光学计量领域。其特点是首先利用低温辐射计对硅陷阱探测器进行标定，再由可调谐激光光源、激光稳功率控制器结合积分球形成比较稳定的均匀的激光束，均匀的激光束经过准直透镜准直后，分别由红外滤光辐射计和硅陷阱探测器进行接收测量，采用辐射比对法对红外滤光辐射计在特定波长下的绝对响应度进行校准，然后用校准过的红外红外滤光辐射计对温坪段凝固点黑体的光谱辐射通量进行精确测量，工作于温坪段的凝固点黑体温度为定值，利用测得的辐射通量和凝固点黑体的温度即可计算得到凝固点黑体的发射率。从而实现了凝固点黑体有效发射率的测量。该方法解决了目前凝固点黑体有效发射率的测量难题，具有测量准确度高，应用前景广的特点。

Description

基于辐射量测量的金属凝固点黑体有效发射率测量系统及 方法

技术领域

本发明属于光学计量领域，主要涉及金属凝固点黑体有效发射率的测量方法，尤其涉及一种基于辐射量测量的金属凝固点黑体有效发射率测量系统及方法。

背景技术

近年来，红外技术获得了突飞猛进的发展，在工业、医疗、国防、信息科学、生物技术等诸多领域都得到了广泛的应用，并已经深入到了人们生活的各个方面，如钢水、钢锭的温度测量，热接点检测，飞机着陆助航，高压电路温度检测，热漏检测，人体温度非接触测量，煤矿中松散岩石的微小温差探测等，黑体辐射源作为标定各种红外探测器的标准辐射源，在红外仿真、红外目标模拟、红外弹的研制生产过程中，都起着非常重要的作用。目前国内进行红外辐射量传的主要途径是：利用金属凝固点黑体来标定一级标准黑体，再由一级标准黑体来校准工业标准黑体，采用传递有效发射率来实现红外辐射量传。

这种红外辐射量传途径是以金属凝固点黑体为最高基准，金属凝固点黑体是以特定的金属材料为工质，以金属纯度来保证金属的熔点温度，处于熔融状态的金属温度则为该黑体的温度，由于复现性好，被认为是黑体溯源链中的自然基准，ITS－90温标高温段就是用金、银、铜等金属凝固点黑体来定义温度量值的。

但到目前为止，金属凝固点黑体的发射率无法进行检测，只能根据腔体结构、腔体材料和腔内涂覆材料计算得到，由于无法得到凝固点黑体有效发射率实际值，给黑体发射率参数的计量工作带来不可预测的不确定度。

发明内容

本发明的目的就是为金属凝固点黑体提供一种有效发射率的测量系统及测量方法。

本发明的技术方案为：

所述一种基于辐射量测量的金属凝固点黑体有效发射率测量系统，其特征在于：所述测量系统由低温辐射计校准硅陷阱探测器装置、红外滤光辐射计校准装置和凝固点黑体辐射量测量装置组成；

所述低温辐射计校准硅陷阱探测器装置包括激光器、激光稳功率系统、低温辐射计、硅陷阱探测器、数据采集系统和分析系统；激光器发出的激光束经过激光稳功率系统后形成稳定性优于0.01％的激光，所述激光经过调制后，分别由硅陷阱探测器和低温辐射计接收，数据采集系统采集硅陷阱探测器的输出电压值和低温辐射计的输出功率值，分析系统比对硅陷阱探测器的输出电压值和低温辐射计的输出功率值，得到硅陷阱探测器光谱响应度；

所述红外滤光辐射计校准装置包括可调谐激光器、激光稳功率控制器、光纤耦合器、超声浴、积分球、准直透镜、红外滤光辐射计、热释电探测器、硅陷阱探测器、数据采集系统和分析系统；可调谐激光器发出的激光束经过激光稳功率控制器后形成稳定性优于0.05％的激光，所述激光通过光纤传输，载有激光的光纤放置在超声浴中滤噪，滤噪后的激光进入积分球，积分球的出口处于准直透镜的物方焦面上，红外滤光辐射计、热释电探测器和硅陷阱探测器受控分别进入光路，进入光路的红外滤光辐射计、热释电探测器或硅陷阱探测器的探测器光敏面处于准直透镜的像方焦面上，数据采集系统采集进入光路的红外滤光辐射计、热释电探测器或硅陷阱探测器的探测信号，分析系统比较红外滤光辐射计和硅陷阱探测器的探测信号值，得到红外滤光辐射计在设定波长下的响应值，分析系统比较红外滤光辐射计和热释电探测器的探测信号值，比对插值得到红外滤光辐射计在其余波长下的响应值，从而得到红外滤光辐射计的绝对光谱响应度；

所述凝固点黑体辐射量测量装置包括凝固点黑体、红外聚焦透镜、红外滤光辐射计、数据采集系统和分析系统；凝固点黑体发出的光谱辐射通量经红外聚焦透镜后，进入红外滤光辐射计，红外滤光辐射计的探测器光敏面位于红外聚焦透镜的像面上，红外滤光辐射计输出信号由数据采集系统采集，并由分析系统计算得到凝固点黑体的有效发射率。

进一步的优选方案，所述一种基于辐射量测量的金属凝固点黑体有效发射率测量系统，其特征在于：所述激光稳功率系统包括第一偏振片、电光晶体、第二偏振片、显微物镜、第一可变光阑、准直物镜、第二可变光阑、楔形分束镜、监视探测器和伺服放大系统；进入激光稳功率系统的激光束首先经过第一偏振片起偏，然后经过电光晶体和第二偏振片，使激光为电矢量垂直于台面的线偏振光，再由显微物镜聚焦并通过第一可变光阑产生一个针孔衍射光斑，由准直物镜对光束进行准直，通过第二可变光阑选择衍射的中心亮环，最后通过楔形分束镜将一部分激光作为监控光束提供给监视探测器，监视探测器的输出信号作为伺服放大系统的参考信号，伺服放大系统驱动电光晶体，使电光晶体的透过率发生变化，达到稳定功率的作用。

利用上述装置测量金属凝固点黑体有效发射率的方法，其特征在于：根据公式

$I\left(A\right)=\frac{\mathrm{\ϵ}\·c_1\·A_1\·A_2}{\mathrm{\π}\·l^2\·n^2}\·\∫\frac{S\left(\mathrm{\λ}\right)}{{\mathrm{\λ}}^5\·\[\exp \left(\frac{c_2}{\mathrm{\λ}\·n\·T}\right)-1\]}d\mathrm{\λ}$

计算得到凝固点黑体的有效发射率ε；其中c₁为第一辐射常数，c₂为第二辐射常数，A₁是红外滤光辐射计的光栏面积，A₂是凝固点黑体精密光栏面积，l是凝固点黑体精密光栏与红外滤光辐射计探测器光敏面的距离，n为空气折射率，S(λ)为红外滤光辐射计的绝对光谱响应度，λ为红外滤光辐射计的响应波长，T为凝固点黑体的温坪段温度，I(A)为红外滤光辐射计的输出光电流。

有益效果

本发明首先利用低温辐射计对硅陷阱探测器进行标定，再由可调谐激光光源、激光稳功率控制器结合积分球形成比较稳定的均匀的激光束，均匀的激光束经过准直透镜准直后，分别由红外滤光辐射计和硅陷阱探测器以及热释电探测器进行接收测量，采用辐射比对法对红外滤光辐射计在特定波长下的绝对响应度进行校准，然后用校准过的红外滤光辐射计对温坪段凝固点黑体的光谱辐射通量进行精确测量，工作于温坪段的凝固点黑体温度为定值，利用测得的辐射通量和凝固点黑体的温度即可计算得到凝固点黑体的发射率。从而实现了凝固点黑体有效发射率的测量。该方法解决了目前凝固点黑体有效发射率的测量难题，具有测量准确度高，应用前景广的特点。

附图说明

图1是低温辐射计校准硅陷阱探测器系统组成示意图。

图2是激光器及激光稳功率系统组成示意图。

图3是红外滤光辐射计辐射比对系统组成示意图。

图4是凝固点黑体辐射量测量系统示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

目前金属凝固点黑体的发射率无法进行检测，只能根据腔体结构、腔体材料和腔内涂覆材料计算得到，由于无法得到凝固点黑体有效发射率实际值，给黑体发射率参数的计量工作带来不可预测的不确定度。随着低温辐射计技术的发展，如美国NIST最新研制的新一代CryoRad-Ⅲ低温辐射计系统其响应波长范围从0.2μm-25μm，接收器响应度大于2K/mW，最小动态范围1μW-1mW，不确定度小于0.005％，使得探测器的辐射量传能够到达红外波段。所以本发明基于利用低温辐射计作为黑体溯源的最高标准的思想，提出了一种基于辐射量测量的金属凝固点黑体有效发射率测量系统及测量方法。

本实施例中的基于辐射量测量的金属凝固点黑体有效发射率测量系统，由低温辐射计校准硅陷阱探测器装置、红外滤光辐射计校准装置和凝固点黑体辐射量测量装置组成。

低温辐射计校准硅陷阱探测器装置原理如图1所示，包括激光器、激光稳功率系统、快门、光阑、一维移动平台、低温辐射计、硅陷阱探测器、I/V转换器、采集卡、数字电压表、数据采集系统和分析系统。快门、光阑是低温辐射计的配套附件，由L-1标准与技术公司提供。一维移动平台选用北京卓立汉光仪器有限公司的精密电动移动平台，其定位精度为20μm。硅陷阱探测器由国防科技工业光学一级计量站研制。低温辐射计采用美国NIST和L-1标准与技术公司联合研制的CryoRad-Ⅲ型低温辐射计，CryoRad-Ⅲ低温辐射计响应波长范围为0.2μm-25μm，接收器响应度大于2K/mW，最小动态范围1μW-1mW，不确定度小于0.005％。I/V转换器、采集卡、数字电压表、数据采集系统为低温辐射计的配套设备，由美国L-1标准与技术公司提供。

如图2所示，本实施例中，优选的激光稳功率系统包括第一偏振片、电光晶体、第二偏振片、显微物镜、第一可变光阑、准直物镜、第二可变光阑、楔形分束镜、监视探测器和伺服放大系统。进入激光稳功率系统的激光束首先经过第一偏振片起偏，然后经过电光晶体和第二偏振片，使激光为电矢量垂直于台面的线偏振光，再由显微物镜聚焦并通过第一可变光阑产生一个针孔衍射光斑，由准直物镜对光束进行准直，通过第二可变光阑选择衍射的中心亮环，最后通过楔形分束镜将10％的激光作为监控光束提供给监视探测器，监视探测器的输出信号作为伺服放大系统的参考信号，伺服放大系统驱动电光晶体，使电光晶体的透过率发生变化，达到稳定功率的作用。监视探测器选择日本HAMAMATSU公司的S1337型硅光电二极管和美国Judson公司的1μm～2.6μm的铟镓砷探测器。

激光器发出的激光束经过激光稳功率系统后形成稳定性优于0.01％的激光，经过稳功率后的激光束经快门、光阑调制后，分别由硅陷阱探测器和低温辐射计接收，数据采集系统采集硅陷阱探测器的输出电压值和低温辐射计的输出功率值，分析系统比对硅陷阱探测器的输出电压值和低温辐射计的输出功率值，得到硅陷阱探测器光谱响应度，通过改变激光波长，可以完成不同响应波段的硅陷阱探测器的校准，从而完成了对硅陷阱探测器的校准。

所述红外滤光辐射计校准装置原理图如图3所示，包括可调谐激光器、激光稳功率控制器、光纤耦合器、超声浴、积分球、准直透镜、红外滤光辐射计、热释电探测器、硅陷阱探测器、数据采集系统和分析系统；红外滤光辐射计、热释电探测器、硅陷阱探测器安装在二维平移台上。

可调谐激光器采用SAF1176P-30光纤可调谐激光器，中心波长为1550nm，调谐范围为130nm，最大功率为10mW。激光稳功率控制器选用英国CRI公司的激光稳功率控制器，透过率最大85％，波长范围350nm～1100nm，功率稳定优于0.05％。积分球选用北京卓立汉光仪器有限公司的直径为100mm的积分球，积分球内壁上均匀喷涂聚四氟乙烯粉末。准直透镜为ZnSe材料加工，焦距500mm、有效通光口径为50mm的红外透镜。二维平移台选用北京卓立汉光仪器有限公司的二维精密电动移动平台，定位精度为20μm。红外滤光辐射计探测器选用美国Juson公司的2～22μm红外探测器。硅陷阱探测器与低温辐射计校准硅陷阱探测器装置中的硅陷阱探测器为同一产品。数据采集系统由Keithley2000及其采集卡构成。

可调谐激光器发出的激光束经过激光稳功率控制器后形成稳定性优于0.05％的激光，激光经过激光稳功率控制器后通过光纤传输，载有激光的光纤放置在超声浴中滤噪，滤噪后的激光进入积分球，积分球的出口处于准直透镜的物方焦面上；二维平移台受控将红外滤光辐射计、热释电探测器或硅陷阱探测器分别移入光路，进入光路的红外滤光辐射计、热释电探测器或硅陷阱探测器的探测器光敏面处于准直透镜的像方焦面上，数据采集系统采集进入光路的红外滤光辐射计、热释电探测器或硅陷阱探测器的探测信号，分析系统比较红外滤光辐射计和硅陷阱探测器的探测信号值，得到红外滤光辐射计在设定波长下的响应值，由于热释电探测器拥有平坦的光谱响应曲线，所以分析系统比较红外滤光辐射计和热释电探测器的探测信号值，比对插值得到红外滤光辐射计在其余波长下的响应值，从而得到红外滤光辐射计的绝对光谱响应度，完成对红外滤光辐射计的校准。

所述凝固点黑体辐射量测量装置包括凝固点黑体、红外聚焦透镜、红外滤光辐射计、数据采集系统和分析系统；本实施例中，凝固点黑体采用美国光电公司的锌凝固点黑体(692.677K)。红外聚焦透镜采用ZnSe材料，焦距500mm、有效通光口径50mm。红外滤光辐射计采用红外滤光辐射计校准装置中的红外滤光辐射计，其中凝固点黑体经红外聚焦透镜成像于红外滤光辐射计光敏面上，数据采集系统采用Keithley2002电压表。本实施例中，光路采用4f系统，即凝固点黑体的光阑到红外聚焦透镜的距离和红外聚焦透镜到红外滤光辐射计探测器面的距离都是2倍焦距长度。

将凝固点黑体加热至温坪段工作状态，由凝固点黑体发出的光谱辐射通量经红外聚焦透镜后，进入红外滤光辐射计，红外滤光辐射计的探测器光敏面位于红外聚焦透镜的像面上，保证凝固点黑体发出的光谱辐射通量能够完全被红外滤光辐射计探测到，红外滤光辐射计输出信号由数据采集系统采集，并由分析系统计算得到凝固点黑体的有效发射率。

分析系统计算得到凝固点黑体的有效发射率的方法是：

对于凝固点黑体，在距离为l处红外滤光辐射计的输出光电流I(A)可由下式给出：

I(A)＝∫Φ(λ)·S(λ)dλ

式中：Φ(λ)为黑体光谱辐射通量，S(λ)为红外滤光辐射计中探测器的绝对光谱响应，可由低温辐射计标定得到。由辐射度原理可推导出：

$I\left(A\right)=\frac{\mathrm{\ϵ}\·c_1\·A_1\·A_2}{\mathrm{\π}\·l^2\·n^2}\·\∫\frac{S\left(\mathrm{\λ}\right)}{{\mathrm{\λ}}^5\·\[\exp \left(\frac{c_2}{\mathrm{\λ}\·n\·T}\right)-1\]}d\mathrm{\λ}$

其中c₁为第一辐射常数，c₂为第二辐射常数，A₁是红外滤光辐射计的光栏面积，A₂是凝固点黑体精密光栏面积，l是凝固点黑体精密光栏与红外滤光辐射计探测器光敏面的距离，n为空气折射率，S(λ)为红外滤光辐射计的绝对光谱响应度，λ为红外滤光辐射计的响应波长，T为凝固点黑体的温坪段温度，I(A)为红外滤光辐射计的输出光电流。由上式可知，精确测量输出光电流I(A)、光栏A₁、A₂面积、距离l、黑体辐射温度T和红外滤光辐射计的绝对光谱响应S(λ)，即可获得被测凝固点黑体的有效发射率ε。

Claims (3)

1.一种基于辐射量测量的金属凝固点黑体有效发射率测量系统，其特征在于：所述测量系统由低温辐射计校准硅陷阱探测器装置、红外滤光辐射计校准装置和凝固点黑体辐射量测量装置组成；

所述低温辐射计校准硅陷阱探测器装置包括激光器、激光稳功率系统、低温辐射计、硅陷阱探测器、数据采集系统和分析系统；激光器发出的激光束经过激光稳功率系统后形成稳定性优于0.01％的激光，所述激光经过调制后，分别由硅陷阱探测器和低温辐射计接收，数据采集系统采集硅陷阱探测器的输出电压值和低温辐射计的输出功率值，分析系统比对硅陷阱探测器的输出电压值和低温辐射计的输出功率值，得到硅陷阱探测器光谱响应度；

所述红外滤光辐射计校准装置包括可调谐激光器、激光稳功率控制器、光纤耦合器、超声浴、积分球、准直透镜、红外滤光辐射计、热释电探测器、硅陷阱探测器、数据采集系统和分析系统；可调谐激光器发出的激光束经过激光稳功率控制器后形成稳定性优于0.05％的激光，所述激光通过光纤传输，载有激光的光纤放置在超声浴中滤噪，滤噪后的激光进入积分球，积分球的出口处于准直透镜的物方焦面上，红外滤光辐射计、热释电探测器和硅陷阱探测器受控分别进入光路，进入光路的红外滤光辐射计、热释电探测器或硅陷阱探测器的探测器光敏面处于准直透镜的像方焦面上，数据采集系统采集进入光路的红外滤光辐射计、热释电探测器或硅陷阱探测器的探测信号，分析系统比较红外滤光辐射计和硅陷阱探测器的探测信号值，得到红外滤光辐射计在设定波长下的响应值，分析系统比较红外滤光辐射计和热释电探测器的探测信号值，比对插值得到红外滤光辐射计在其余波长下的响应值，从而得到红外滤光辐射计的绝对光谱响应度；

所述凝固点黑体辐射量测量装置包括凝固点黑体、红外聚焦透镜、红外滤光辐射计、数据采集系统和分析系统；凝固点黑体发出的光谱辐射通量经红外聚焦透镜后，进入红外滤光辐射计，红外滤光辐射计的探测器光敏面位于红外聚焦透镜的像面上，红外滤光辐射计输出信号由数据采集系统采集，并由分析系统计算得到凝固点黑体的有效发射率。

2.根据权利要求1所述一种基于辐射量测量的金属凝固点黑体有效发射率测量系统，其特征在于：所述激光稳功率系统包括第一偏振片、电光晶体、第二偏振片、显微物镜、第一可变光阑、准直物镜、第二可变光阑、楔形分束镜、监视探测器和伺服放大系统；进入激光稳功率系统的激光束首先经过第一偏振片起偏，然后经过电光晶体和第二偏振片，使激光为电矢量垂直于台面的线偏振光，再由显微物镜聚焦并通过第一可变光阑产生一个针孔衍射光斑，由准直物镜对光束进行准直，通过第二可变光阑选择衍射的中心亮环，最后通过楔形分束镜将一部分激光作为监控光束提供给监视探测器，监视探测器的输出信号作为伺服放大系统的参考信号，伺服放大系统驱动电光晶体，使电光晶体的透过率发生变化，达到稳定功率的作用。

3.利用权利要求1所述测量系统测量金属凝固点黑体有效发射率的方法，其特征在于：根据公式

$I\left(A\right)=\frac{\mathrm{\ϵ}\·c_1\·A_1\·A_2}{\mathrm{\π}\·l^2\·n^2}\·\∫\frac{S\left(\mathrm{\λ}\right)}{{\mathrm{\λ}}^5\·\[\exp \left(\frac{c_2}{\mathrm{\λ}\·n\·T}\right)-1\]}d\mathrm{\λ}$

计算得到凝固点黑体的有效发射率ε；其中c₁为第一辐射常数，c₂为第二辐射常数，A₁是红外滤光辐射计的光栏面积，A₂是凝固点黑体精密光栏面积，l是凝固点黑体精密光栏与红外滤光辐射计探测器光敏面的距离，n为空气折射率，S(λ)为红外滤光辐射计的绝对光谱响应度，λ为红外滤光辐射计的响应波长，T为凝固点黑体的温坪段温度，I(A)为红外滤光辐射计的输出光电流。