CN109323768A - 一种自校准黑体辐射源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自校准黑体辐射源，其包括：高发射率黑体空腔；至少4种8个微型相变固定点，其位于所述高发射率黑体空腔的底部；至少9支高精度温度计，其设置于所述黑体空腔的底部，黑体空腔口部以及热辐射环内，其中底部5支温度计位于微型相变固定点之间；薄膜加热片，其位于所述黑体空腔的外表面上，为了减小加热片对固定点相变差异化的影响，将加热片与固定点的距离较远的位置；恒温套，其位于所述黑体空腔的外部，以及热罩，其与黑体空腔的发射端口相配合。本发明还提供了一种自校准黑体辐射源的校准方法。

Description

一种自校准黑体辐射源

技术领域

本发明涉及一种黑体辐射源，尤其是涉及一种自校准的黑体辐射源。

背景技术

任何物体都具有不断辐射、吸收、发射电磁波的本领。辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就是具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称之为热辐射。为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，物理学家们定义了一种理想物体-黑体，以此作为热辐射研究的标准物体。黑体的主要功能是产生一定温度下的标准辐射。因此，在温度计量中主要用于检定各种辐射温度计，如光学高温计、红外温度计、红外热像仪等。高精度的辐射校正和辐射定标技术已成为遥感领域的重要环节之一。对卫星遥感器辐照度响应的定标最初就是以标准黑体作为基准发展起来的。

星载定标系统常用的定标参考源包含深空环境和星载定标黑体源。使用红外遥感仪器交替测量深空环境和定标黑体，将深空环境和定标黑体的辐射亮度作为已知量，从而达到标定红外遥感仪器的目的。根据普朗克黑体辐射定律，黑体辐射源的辐射亮度与其温度和发射率直接相关。星载定标黑体的温度准确性直接决定了星载定标系统的定标精度。当前我国星载黑体定标精度不高，一般为1-1.5K水平，个别能达到优于1K的水平，温度量值无法在轨校准，地面标定不能保证在轨量值的准确性。星载黑体辐射源的温度传感器在地面标定后，其量值实现了SI单位的溯源，但一旦发射入轨工作后，其量值将无法直接有效溯源。

因此，针对星载黑体辐射源，其温度传感器的在轨校准，是实现高精度星载定标系统的关键。

发明内容

本发明的目的是将定标黑体辐射源的温度通过标准铂电阻温度计溯源到基于ITS-90国际温标定义固定点和次级固定点形成技术的微型相变固定点，实现温度的高精度温度校准。通过置于黑体空腔口部的热辐射环的设计，实现黑体辐射源空腔发射率的原位测量。基于普朗克黑体辐射理论实现黑体辐射源辐射温度的原位校准。

本发明涉及一种自校准黑体辐射源，其包括：高发射率黑体空腔；至少4种8个微型相变固定点，采用内部聚四氟隔离和激光焊接封装，其位于所述高发射率黑体空腔的底部，其通过一个绝热的支撑结构的设计，在真空状态下，实现黑体空腔的绝热设计；至少9支高精度温度计，其设置于所述黑体空腔的底部，黑体空腔口部以及热辐射环内，其中底部5支温度计位于微型相变固定点之间；薄膜加热片，其位于所述黑体空腔的外表面上，为了减小加热片对固定点相变差异化的影响，将加热片与固定点的距离较远的位置；恒温套，其位于所述黑体空腔的外部，以及热罩，其与黑体空腔的发射端口相配合。

其中，还包括外壳，其设置于所述黑体空腔的外侧。

其中，还包括隔热支撑，其用于对所述黑体空腔进行支撑，其与所述黑体空腔的底部结构相配合。

其中，微型相变固定点的密封采用激光焊接密封。

本发明还提供了一种自校准黑体辐射源的校准方法，其特征在于：

步骤一：采用国际温标基准点和次级定义相变固定点，至少4种8个；

步骤二：提供高发射率的等温黑体空腔及其绝热设计；

步骤三：所述至少4种8个相变固定点安装在所述等温黑体空腔上；

步骤四：采用与固定相变点就近安装在同一基底材料上的温度计，在相变点对温度计件进行温度传递，在辐射源上实现温度传递。

本发明还提供了一种自校准黑体辐射源的设计方法。本发明将相变固定点和热辐射环集成到黑体上可以实现原位的辐射温度的高光谱分辨的校准，采用高导热材料实现了高发射率黑体空腔、微型的相变固定点装置、热辐射环和高精度温度计的准绝热结构设计，并且通过黑体的精密控温操作在微型相变固定点上实现了长时间的相变平台，以此相变温坪校准黑体辐射源的温度计，以热辐射环的温度变化来测量黑体空腔的发射率，最终实现高发射率高精度黑体辐射源的自校准需要。

本发明的相变固定点校准温度计不需要将温度计从黑体空腔上取出再利用相变固定点进行标定，通过将相变固定点集成到黑体空腔上可以实现原位的校准；不需要放置在固定点的内部进行标定，本发明中固定点和温度计放置在黑体空腔上，二者相互分离，固定点不影响温度计测量黑体空腔的温度，校准过程中通过温度的热环境和微小的加热功率实现固定点和温度计之间良好的温度均匀性；本发明的装置实现了微型的相变固定点装置，并且通过黑体的精密控温操作在微型相变固定点上实现了长达十小时的相变平台，完全满足了温度计校准的需要。

附图说明

图1为本发明的自校准黑体辐射源的溯源原理示意图；

图2为本发明的自校准黑体辐射源的装置结构示意图；

图3为本发明的黑体空腔结构剖面示意图；

图4为本发明的黑体空腔结构底面结构示意图；

图5为本发明的多固定点相变平台曲线示意图；

图6为本发明的隔热支撑的结构示意图。

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。

本发明的溯源原理如图1所示。根据普朗克公式可知，明确了黑体的温度和发射率后，黑体的光谱辐射亮度也就确定了，因此，准确测量温度和发射率是实现黑体校准的重要参量。首先，采用国际温标定义和次级定义4种8个相变固定点，构建星上温度基准，可大幅降低温度测量的不确定度；其次，提供高发射率的黑体空腔和高均匀性热控设计，提升黑体辐射源的温度均匀性和稳定性，降低温度场带来的不确定度；此外，使用多个固定相变点，优选采用四个固定相变点实现一定温度范围的定量传递；采用与固定相变点就近安装在同一基底材料上的温度计方案，在相变点对测温元件进行近位温度传递的方案，在辐射源上实现温度传递；通过真空绝热结构设计与超低恒功率控温，实现国际温标定义的四个微型相变固定点的复现方法获得有效相变温坪，可以实现对黑体腔上的温度传感器实现四点标定，然后通过曲线拟合获得整个温区范围的标定结果。通过本发明的技术方案提高了辐射源测量精度，突破了微型温度固定点空间应用技术、空间环境高温度准确度测量技术、高精度的温度溯源技术。

图2所示为本发明的自校准黑体辐射源结构示意图，所述自校准黑体辐射源包括高发射率黑体空腔1；至少一个微型相变固定点2，其位于所述高发射率黑体空腔的底部；薄膜加热片3，其位于所述黑体空腔的外表面上；外壳4，其设置于所述黑体空腔1的外侧，其容纳整个黑体空腔1；隔热支撑5，其用于对所述黑体空腔1进行支撑，其与所述黑体空腔的底部结构相配合；高精度温度计(未图示)，其设置于所述黑体空腔的底部；恒温套7，其位于所述黑体空腔1的外部，以及热罩8，其与黑体空腔的发射端口相配合。图6所示为，本发明的隔热支撑5的结构，所述隔热支撑5包括与所述黑体空腔1配合组装的第一端部和远离所述黑体空腔的第二端部，在所述第一端部与第二端部之间的侧壁上形成有向外突出的第一凸缘和第二凸缘，所述第一凸缘和第二凸缘与外壳4上的凹部相配合。

如图2和图3所示，所述黑体腔体1由均温性材料制成，可通过对整体性的均温性材料加工而成，也就是说所述黑体腔体1一体成型，所述黑体腔体1包括第一端和第二端，所述黑体腔体1的第一端具有开口，在所述第一端的边缘上具有多个测温孔，在所述测温孔中可放置铂电阻温度计或温度传感元件；所述黑体腔体1的第二端包括第一凸台，所述第一凸台相对于所述黑体腔体1的长度轴旋转对称，在所述第二端还包括有多个围绕所述第一凸台分布的第一固定孔和第二固定孔，所述第一固定孔的直径大于所述第二固定孔的直径，所述第一固定孔的数量不限，可为两个、三个、四个、五个、六个或更多个，同样的所述第二固定孔的数量也不限，可为两个或两个以上，所述第二固定孔靠近第一固定孔设置。所述第一固定孔和第二固定孔的最上沿与所述凸台的下边沿相靠近或重合，也就是第一凸台的整体位于第一固定孔的上方。在所述黑体腔体1的外表面设置有加热膜。在所述第一凸台在垂直方向具有第三固定孔，所述第三固定孔的延伸方向与所述黑体腔体1的长度方向相垂直。在所述黑体腔体1的内部具有锥形底部，在所述黑体腔体的内部上涂布有高发射率的材料。如图4所示，在所述第一固定孔中设置微型固定点，在所述第二固定孔中设置温度计。

在所述黑体空腔1的外侧壁上设置恒温套7，所述恒温套7在所述黑体空腔1上缠绕放置，所述恒温套7的两端从法兰上的孔中引出，优选在所述恒温套7中采用水或其他降温的流体，通过液体在所述恒温套7中的流动调整所述黑体空腔的温度。

在所述第一固定孔中设置有微型固定点，在所述第二固定孔和第三固定孔中设置有温度计或温度传感元件，优选所述温度计为铂电阻温度计。作为进一步的优选所述微型固定点的数量为四个，对应的设置有四个第一安装孔。

在所述黑体腔体1的第一端的外侧装置有热罩8，所述热罩8优选采用为铝材质加工，其结构为空心圆台形，其包外框架和内框架，所述外框架和内框架组合形成圆台形，在外框架和内框架之间具有间隙，所述内框架具有面向黑体的第一口径，远离所述待测黑体的第二口径，所述第一口径的尺寸大于第二口径的尺寸，所述内框架包括靠近第一口径侧的第一部分和倾斜的第二部分，其中所述内框架的第一部分与第二部分相连，在倾斜的所述第二部分上具有至少一个温度计孔，在所述温度计孔中安装有铂电阻温度计，所述外框架具有与内框架相对应的遮挡部分，用于屏蔽内框架的热辐射。在所述内框架的倾斜的第二部分的外侧壁上设置有加热膜，通过所述加热膜对热辐射环进行加热，在内框架的内壁上喷涂高发射率的黑漆。在热罩8内框架的第二部分上预留安装温度计的小孔，通过铂电阻温度计测量热辐射环的温度。所述外框架为防辐射结构以降低热辐射环温度对环境的影响。另外，在热罩8外侧还可以安装防辐射外壳，降低热辐射环温度对环境的影响。热罩8整体安装在电控平移台上，通过电控平移台控制热辐射环在测量位和非测量位切换。

所述自校准黑体辐射源利用黑体空腔1上安装的至少一个微型相变固定点2实现对黑体空腔1上的铂电阻温度计6的校准，利用热罩8控制在两个不同温度实现对黑体空腔1的发射率的测量。通过黑体腔温度和发射率两个关键参数的精确校准和测量实现黑体辐射源的自校准功能。

图4所示为高发射率黑体空腔的底面结构示意图。其为本发明的一个优选实施例，并不作为具体的第一固定孔和第二固定孔的数量的限制。在黑体空腔1的底部的四个第二固定孔中均匀放置了四根高精度温度计，同时还设置了8个第一固定孔，9个第二固定孔，在每个第一固定孔中设置微型相变固定点，在每个第二固定孔中放置温度计，优选对称放置四种不同的相变固定点，每种两个，相邻的两个第一固定孔中放置的相变固定点相同，在相邻的相变固定点之间设置有第二固定孔，在所述第二固定孔中设置有高精度温度计，在每个高精度温度计的两侧设置有相同的相变固定点。根据使用温度的不同固定点可以选择如汞，水，镓-锡合金，镓-锌合金，镓，丁二腈，水杨酸苯脂等。优选设置四种相变固定点，第一相变固定点为水三相点固定点、第二相变固定点为Ga-Sn相变固定点、第三相变固定点为Ga相变固定点、第四相变固定点为水杨酸苯脂。

微型固定点的容器采用不锈钢外壳，聚四氟内胆结构，金属按共晶比例，在定压下熔化或凝固可获得恒定的温度，该温度称之为共晶体的共晶温度，并且可以作为固定点使用。微型Ga-Sn、Ga-Zn共晶固定点按照一定的共晶比例进行灌注，其中灌注固定点装置所使用的鎵的纯度高达7N，锌、锡的纯度为6N。微型Ga-Sn、Ga-Zn共晶固定点装置灌注的金属总质量分别为5.50g和5.79g，其中锡、锌的质量约为0.75g和0.26g，所占的质量分数分别为13.6％和4.5％。共晶固定点灌注完成后，反复熔化凝固多次，直到其熔化温度趋于定值，使灌注金属之间形成良好的共晶结构。

微型固定点的密封采用激光焊接密封，激光焊接可将入热量降到最低的需要量，热影响区金相变化范围小，且因热传导所导致的变形亦最低。不需使用电极，没有电极污染或受损的顾虑。且因不属于接触式焊接制程，机具的耗损及变形皆可降至最低。激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引，可放置在离工件适当之距离，且可在工件周围的机具或障碍间再导引，其他焊接法则因受到上述的空间限制而无法发挥。其次，工件可放置在封闭的空间(经抽真空或内部气体环境在控制下)。激光束可聚焦在很小的区域，可焊接小型且间隔相近的部件，可焊材质种类范围大，亦可相互接合各种异质材料。焊接薄材或细径线材时，不会像电弧焊接般易有回熔的困扰。

这些固定点在发生相变过程中具有温度保持不变的特性。校准温度计时在某一个固定点相变温度附近使用薄膜加热片以恒定的微小功率缓慢加热黑体空腔，黑体空腔升温过程中对应的相变固定点出现相变平台。其中，第一相变固定点为水三相点固定点、第二相变固定点为Ga-Sn相变固定点、第三相变固定点为Ga相变固定点、第四相变固定点为水杨酸苯脂。通过薄膜加热片的加热控制，使得黑体空腔升温过程中出现了对应水三相点的第一温度平台，对应Ga-Sn相变固定点的第二温度平台，对应Ga相变固定点的第三温度平台，对应水杨酸苯脂的第三温度平台，通过温度计测量到相应的平台值，使用不同的固定点温度计测量到多个不同温度的相变平台，利用插值拟合公式对温度计进行校准。温度计测量多个微型相变固定点的相变平台如图5所示。温度计测量微型固定点相变平台的重复性优于10mK，使用恒温套为黑体腔提供稳定的热环境，使用微小功率加热黑体空腔时黑体空腔底部的温度均匀性优于10mK，温度稳定性优于5mK。

通过精确的黑体控温方案，使微型固定点的相变过程在空腔黑体上进行，在空腔黑体足够好的温度均匀性的前提下，嵌入空腔黑体中的温度计与微型固定点相变温度建立量值传递。当微型固定点发生相变时，将温度计测量到其高复现性的相变温坪值赋给被校准温度传感器，通过多个固定点和内插公式实现温度传感器多点的量值校准。

在实际在轨校准应用中，具有高稳定性的微型固定点通过相变校准空腔黑体上的温度传感器，将得到的数据一方面与地面标定的数据比较，可以精确地清楚温度传感器量值是否发生变化；另一方面则是在温度计量值发生变化后，重新标定温度计，使星载黑体辐射源的量值有效性得到保障，从而提高星上定标系统的整体量值水平。

本发明的热罩包含高发射率的热辐射环，薄膜加热片，保温装置和外壳等。热辐射环放置在黑体腔的正前方，在不使用时温度和环境温度相同，在使用热罩测量黑体空腔的发射率时可以通过薄膜加热片控制热辐射环稳定在不同的温度。使用热罩测量黑体空腔的发射率的原理是通过不同温度的热罩改变黑体空腔的环境辐射，通过测量不同环境辐射下黑体腔的总得和能量的差异计算出黑体空腔的反射率，再进一步计算出黑体空腔的发射率数值。使用该装置测量黑体空腔的发射率其测量不确定度优于0.15％(k＝1)。

本发明利用准绝热测量系统对微型固定点的相变性能进行测试，铝制黑体腔放在真空杜瓦腔内，微型固定点、温度计和加热膜安装于黑体腔相应位置；真空杜瓦腔分别与高纯氩气和真空泵连接，并浸没在恒温浴槽里距离水面1/3距离处。通过无油干泵实现杜瓦腔内的真空状态，在微功率加热过程中使黑体腔处于准绝热状态；高纯干燥氩气在加热前，充入杜瓦腔内部，增加恒温浴槽与杜瓦腔之间的换热速率，提高实验效率。恒温浴槽使用可实现-10℃至60℃范围控温的防冻液为循环液体，控温精度达±0.001℃，为真空杜瓦腔部分提供稳定的热环境。高精度的恒流电源提供微小功率，加热铝制黑体腔，从而得到微型相变固定点的熔化温坪。

本发明的相变固定点校准温度计不需要将温度计从黑体空腔上取出再利用相变固定点进行标定，通过将相变固定点集成到黑体空腔上可以实现在线原位的校准；不需要放置在固定点的内部进行标定，本发明中固定点和温度计放置在黑体空腔上，二者相互分离，固定点不影响温度计测量黑体空腔的温度，校准过程中通过温度的热环境和微小的加热功率实现固定点和温度计之间良好的温度均匀性；本发明的装置体积和重量减轻，实现了微型的相变固定点装置，并且通过黑体的精密控温操作在微型相变固定点上实现了长达十小时的相变平台，完全满足了温度计校准的需要。

本发明通过将ITS-90国际温标定义固定点应用于红外遥感载荷的空间校准系统中，展开对在轨微型固定点黑体辐射源的研究，将高精度空间红外辐射基准源的温度溯源到ITS-90定义固定点，实现星载黑体辐射源量值在轨校准。将固定点引入到星载黑体可以缩短量值传递链避免量值传递链长带来的不确定度的扩大等问题，在轨微型固定点黑体辐射源的实现可以显著改善在轨辐射测量性能，建立更加精准的在轨辐射参考源，以及实现高精度在轨辐射定标，让我国对地观测系统更好地服务和保障我国经济建设、社会发展和人民生活，满足气候变化监测的需要、气象预报和防灾减灾的需要以及全球遥测量值一致性的需要。

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 (5)

1.一种自校准黑体辐射源，其包括：高发射率黑体空腔；至少4种8个微型相变固定点，其位于所述高发射率黑体空腔的底部；至少9支高精度温度计，其设置于所述黑体空腔的底部，黑体空腔口部以及热辐射环内，其中底部5支温度计位于微型相变固定点之间；薄膜加热片，其位于所述黑体空腔的外表面上；恒温套，其位于所述黑体空腔的外部，以及热罩，其与黑体空腔的发射端口相配合。

2.如权利要求1所述的自校准黑体辐射源，其特征在于：还包括外壳，其设置于所述黑体空腔的外侧。

3.如权利要求1所述的自校准黑体辐射源，其特征在于：还包括隔热支撑，其用于对所述黑体空腔进行支撑，其与所述黑体空腔的底部结构相配合。

4.如权利要求1所述的自校准黑体辐射源，其特征在于：微型相变固定点的密封采用激光焊接密封。

5.一种如权利要求1至4任一项的自校准黑体辐射源的校准方法，其特征在于：

步骤一：采用国际温标基准点和次级定义相变固定点，至少4种8个；

步骤二：提供高发射率的等温黑体空腔及其绝热设计；

步骤三：所述至少4种8个相变固定点安装在所述等温黑体空腔上；

步骤四：采用与固定相变点就近安装在同一基底材料上的温度计，在相变点对温度计件进行温度传递，在辐射源上实现温度传递。