CN111678609B - 一种高精度黑体腔及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光辐射测量领域内的一种高精度黑体腔，包括第一腔体和第二锥体；所述第一腔体包括柱形段和锥形段，所述柱形段与所述锥形段连接成敞口腔体结构，所述锥形段为锥台结构，所述锥形段端部设有缺口；所述第二锥体通过所述缺口与所述锥形段连接，所述第二锥体的尖端位于所述锥形段的空腔内。本发明还提供了一种高精度黑体腔的制作方法。本发明通过正圆锥面和倒圆锥面相结合的形式可以有效增加表面反射或入射光吸收次数，从而提高黑体腔的吸收率。

Description

一种高精度黑体腔及其制作方法

技术领域

本发明涉及光辐射测量领域，具体地，涉及一种高精度黑体腔结构，尤其涉及面向空间遥感定标的一种高精度黑体腔结构。

背景技术

近年来随着空间遥感、环境和气候监测定量化要求的不断提高，迫切需要高精度、操作便捷的传递标准，能够实现红外辐射的高精度定标，以进一步提升红外光电探测的精度水平。黑体作为最常用的红外辐射传递标准，发射率精度是影响其红外辐射精度的重要指标。

黑体发射率的精度主要受黑体面型结构和表面涂层两个因素影响。就结构而言，一般腔形结构的发射率要高于面型结构，因为当被测光沿腔体轴线方向进入腔体后，可以多次反复吸收。国内外学者针对圆柱形的黑体腔做了大量研究，表明当圆柱腔直径一定时，通过增加腔长可以获得接近1的光谱吸收率。然而腔长不可能无限增长，入射光必然会有部分溢出腔外，造成吸收率损失。目前较多采用柱形腔+锥形腔的组合结构，如图1所示。不过受制于传统的机械加工与表面处理工艺，圆锥的尖端内部往往存在钝化效应，取某同一方向的入射光进入腔体，理论消光结构的反射次数为5次，而实际结构仅为3次，降低了腔体涂层对光线的吸收次数，说明该类结构的实际消光程度往往难以达到理想效果。

面对空间定量化遥感日益提升的定标要求，如何通过改进黑体腔的构型并结合新型超黑涂层的实施，使得其最大程度地减小实际入射光的溢出，从而进一步提高发射率，是当前亟需解决的问题。

经现有技术检索发现，专利公开号为CN102090884B的中国专利文献，本发明公开了一种黑体辐射源的腔体装置，所述腔体包括第一空腔和第二空腔，所述第一空腔和第二空腔分别设置为圆柱-圆锥形；所述第一空腔的开口处一端为圆柱形空腔，该圆柱形空腔的底部为圆锥形空腔；所述第二空腔的开口处一端为圆柱形空腔，该圆柱形空腔的底部为圆锥形空腔；所述第二空腔的圆柱形空腔内设置有隔热板。本发明黑体辐射源的腔体设计为双圆柱-圆锥的内腔，保证了空腔的温度均匀性；长圆柱-圆锥内腔壁上喷涂高发射率材料形成黑体空腔，保证了在短深度且大口径空腔内获得高的空腔有效发射率；同时，该辐射源适合非实验室环境使用，填补了我国对高准确度红外辐射温度计进行现场校准装置的空白。该专利就存在上述相应问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高精度黑体腔及其制作方法。

本发明提供了一种高精度黑体腔，包括第一腔体和第二锥体；

所述第一腔体包括柱形段和锥形段，所述柱形段与所述锥形段连接成敞口腔体结构，所述锥形段为锥台结构，所述锥形段端部设有缺口；

所述第二锥体通过所述缺口与所述锥形段连接，所述第二锥体的尖端位于所述锥形段的空腔内。

一些实施方式中，所述第二锥体以可拆卸方式与所述缺口密封连接，位于所述锥形段空腔内的所述第二锥体的表面光滑。

一些实施方式中，所述第一腔体内表面以及所述第二锥体外表面均喷涂有红外高发射涂层。

一些实施方式中，所述红外高发射涂层的发射率大于等于0.8。

一些实施方式中，所述锥形段的锥角为35°～37°。

一些实施方式中，所述第二锥体与所述锥形段的锥角相同。

一些实施方式中，所述缺口的直径为所述柱形段直径的1/25～1/8。

一些实施方式中，所述第一腔体的壁厚为0.3～0.8mm。

一些实施方式中，所述第二锥体为腔体结构，所述第二锥体的壁厚与所述第一腔体的壁厚相同。

本发明还提供了一种高精度黑体腔的制作方法，包括如下步骤：

S1：采用机械加工方法制作第一腔体，得到结构包括柱形段和锥形段两部分的敞口腔体结构；

S2：采用线切割工艺将所述锥形段的锥顶切除形成缺口，并在所述缺口处加工连接结构；

S3，采用机械加工工艺制作与锥形段锥角相同的第二锥体，并在第二锥体尾部加工连接结构；

S4：对步骤S2制作的第一腔体内表面打磨，并喷涂红外高发射涂层；

S5：对步骤S3制作的第二锥体外表面打磨，并喷涂红外高发射涂层；

S6：将经步骤S5处理的第二锥体安装于经步骤S4处理的第一腔体的缺口处，所述第二锥体的尖端位于所述锥形段的空腔内。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明申请通过于黑体腔的端部连接有倒锥体，通过倒锥体有效增加表面反射或入射光吸收次数，从而提高黑体腔的吸收率。

2、本发明申请通过将第二锥体与第一腔体可拆卸的连接方式，可以保证涂层喷涂的均匀性和一致性，避免了传统锥形黑体在加工或喷涂时必然存在的尖点钝化导致的发射率下降的问题。

3、本发明通过对第二锥体与第一腔体两者的结构配合与优化，提高黑体腔的反射次数，进而提高黑体腔的吸收率。

4、本发明所述的黑体结构腔不仅理论发射率高，而且工艺性好，有利于获得较高的实际发射率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为现有设计的黑体腔结构示意图；

图2为本发明黑体腔结构示意图；

图3为本发明黑体腔结构反射效果示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图2-3所示，本发明申请提供了一种高精度黑体腔，包括第一腔体1和第二锥体2，其第一腔体1为敞口的空腔结构，主要包括柱形段11和锥形段12两部分，其柱形段11为圆柱形敞口筒体结构，锥形段12为通过线切割工艺将锥顶切除形成平口的缺口120，即锥形段12为凸台结构，柱形段11和锥形段12两部分优先通过一体成型的方式形成第一腔体1，第一腔体1为两端敞口的腔体结构，即柱形段11上的开口和锥形段12的缺口120分别位于第一腔体1的两端，其柱形段11上的开口作为入射线的进口，而缺口120则作为与第二锥体2的连接端口。第二锥体2为圆锥体结构，第二锥体2的锥顶通过缺口120进入到锥形段12的空腔内，优先的，第二锥体2与锥形段12的轴线相重合。

本发明申请的技术方案中，当光束子自柱形段11的开口入射至锥形段12的腔壁时，锥形段12的圆锥面和伸入到锥形段12空腔内的第二锥体2的尖顶部分相结合，可以有效增加表面反射或入射光吸收次数，从而提高黑体腔的吸收率。

本发明申请中将第二锥体2以可拆卸的连接方式与锥形段12实现固定连接，可通过机械加工的方式在第二锥体2的尾部加工有外螺纹，而在锥形段12的缺口120处加工有内螺纹，通过螺纹连接的方式将第二锥体2固定于缺口120处，使得第二锥体2的锥顶位于锥形段12内，同时，为确保密封效果，可在第二锥体2和缺口120的连接的外表面设置有密封套或密封垫。另外，第二锥体2与缺口120处的连接也可通过胶接或者卡接等方式，只要保证固定牢固、密封性能好即可。采用可拆卸方式实现第二锥体2与第一腔体1的连接，使得第二锥体2的圆锥面可单独加工并喷涂后与第一腔体1的锥形段12的圆锥面连接，可保证涂层喷涂的均匀性和一致性，避免了传统锥形黑体在加工或喷涂时必然存在的尖点钝化导致的发射率下降的问题。

优选的，第一腔体1的内表面以及第二锥体2的外表面均喷涂有红外高发射涂层3，且其红外高发射涂层3的发射率优选的大于等于0.8，较佳的，大于等于0.9，进而整体上进一步提高黑体腔的吸收率。

实施例2

如图2-3所示，本实施例2是在实施例1的基础上形成，主要通过对第二锥体与第一腔体两者的结构配合与优化，提高黑体腔的反射次数，进而提高黑体腔的吸收率，具体的：

第一腔体1的锥形段12的锥角为35°～37°，优选的，其锥形段12的锥角选择为36°，同时，第二锥体2的锥角与锥形段12的锥角相同，即锥形段12的锥角与第二锥体2的锥角的大小相同。第一腔体1中的锥形段12与第二锥体2的锥角通过蒙特卡罗光线追迹法，可以发现具有增加反射次数的作用，通过附图2即可直观看出增加了反射次数，其实质就是一个光陷阱。通过本发明申请的结构设计，使得光束可达到5次的反射次数，大幅提高了黑体腔的吸收率。

进一步优选的，在锥形段12与第二锥体2的锥角相同的情况下，其缺口120的口径大小设计为柱形段11直径的1/25～1/8，使得第二锥体2的粗度以及伸入锥形段12内的长度较为适宜，确保反射次数。

优选的，第一腔体1的壁厚优选为0.3～0.8mm，较佳的，其第一腔体1的壁厚优选为0.5mm。其第一腔体1的壁厚理论上越薄越好，因为如果腔体的壁厚太厚，腔壁内的涂层的温度和外层的温差会变大，影响精度，腔体壁的壁厚越薄，其腔体壁的温度梯度就越小，精度就越高，但不能过薄，否则强度不足容易变形。

进一步的，其第二锥体2设计为腔体结构，同时腔体结构的第二锥体2的壁厚与第一腔体1的壁厚相同，材质相同，可保证第二锥体2与第一腔体1的温度梯度一致，进一步提高黑体腔的吸收率。

实施例3

如图2-3所示，本实施例3是在实施例1或实施例2的基础上形成的一种高精度黑体腔的制作方法，包括如下步骤，

S1：采用机械加工方法制作第一腔体1，得到结构包括柱形段11和锥形段12两部分的敞口腔体结构；

S2：采用线切割工艺将锥形段12的锥顶切除形成缺口120，并在缺口120处加工连接结构；

S3，采用机械加工工艺制作与锥形段12锥角相同的第二锥体2，并在第二锥体2尾部加工连接结构；

S4：对步骤S2制作的第一腔体1内表面打磨，并喷涂红外高发射涂层3；

S5：对步骤S3制作的第二锥体2外表面打磨，并喷涂红外高发射涂层3；

S6：将经步骤S5处理的第二锥体2安装于经步骤S4处理的第一腔体1的缺口120处，所述第二锥体2的尖端位于所述锥形段12的空腔内。

根据上述方法，公开了一种优选的实施方式，具体加工过程如下：

S1：采用机械加工方法制作壁厚为0.5mm的一体化腔体结构的第一腔体1，得到柱形段11和锥形段12，其中柱形段11腔体的内直径为108mm、外直径为109mm，长度100mm，锥形段12的锥角为36±1°；

S2：采用线切割的方法将步骤S1中的锥形段12的锥顶端切除，形成内口径为5mm的切割面，切割面与圆锥的轴线垂直，得到“圆柱+圆锥”无顶结构的第一腔体1；

S3：采用机械加工方法制作出与锥形段锥角相同的第二锥体2，得到倒圆锥面，并在尾部加工螺纹；

S4：对S1与S2步骤制作得到的第一腔体1的内表面打磨，并喷涂红外高发射涂层3，其红外高发射涂层3即红外波段高吸收率涂层，该涂层发射率为0.93。

S5：对S2步骤制作得到的倒圆锥体外表面打磨并喷涂红外高发射涂层3，其红外高发射涂层3即红外波段高吸收率涂层，该涂层发射率为0.93。

S6：将S4步骤获得的第一腔体1与S5步骤获得的第二锥体2进行装配，并利用尾部的螺纹连接固定。

采用中国计量科学研究院保持的可变温标准黑体定标该黑体的发射率，采用水浴进行升温以获取更均匀的温度环境。标准黑体溯源于金属凝固点黑体。标准黑体的基本参数为：EOI面源黑体，有效发射率≥0.986，温度分辨率0.01℃，温控精度优于0.01℃。从30～80℃每间隔10℃设置一个测量温度点，利用Raytek红外辐射测温仪交替测量黑体和计量院标准黑体。定标实验所得数据如表1所示，数据表明，黑体从300～400K温度范围内，有效发射率≥0.997。

表1高精度黑体发射率定标结果

Table1 Calibration result of water-bath blackbody’emissivity

综上所述，本发明申请通过于黑体腔的端部连接有倒锥体，通过倒锥体有效增加表面反射或入射光吸收次数，从而提高黑体腔的吸收率；本发明申请通过将第二锥体与第一腔体可拆卸的连接方式，可以保证涂层喷涂的均匀性和一致性，避免了传统锥形黑体在加工或喷涂时必然存在的尖点钝化导致的发射率下降的问题；本发明通过对第二锥体与第一腔体两者的结构配合与优化，提高黑体腔的反射次数，进而提高黑体腔的吸收率；本发明所述的黑体结构腔不仅理论发射率高，而且工艺性好，有利于获得较高的实际发射率。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种高精度黑体腔的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：采用机械加工方法制作第一腔体（1），得到结构包括柱形段（11）和锥形段（12）两部分的敞口腔体结构；

S2：采用线切割工艺将所述锥形段（12）的锥顶切除形成缺口（120），并在所述缺口（120）处加工连接结构；

S3，采用机械加工工艺制作与锥形段（12）锥角相同的第二锥体（2），并在第二锥体（2）尾部加工连接结构；

S4：对步骤S2制作的第一腔体（1）内表面打磨，并喷涂红外高发射涂层（3）；

S5：对步骤S3制作的第二锥体（2）外表面打磨，并喷涂红外高发射涂层（3）；

S6：将经步骤S5处理的第二锥体（2）安装于经步骤S4处理的第一腔体（1）的缺口（120）处，所述第二锥体（2）的尖端位于所述锥形段（12）的空腔内。

2.根据权利要求1所述的高精度黑体腔的制作方法，其特征在于，所述第二锥体（2）以可拆卸方式与所述缺口（120）密封连接，位于所述锥形段（12）空腔内的所述第二锥体（2）的表面光滑。

3.根据权利要求2所述的高精度黑体腔的制作方法，其特征在于，所述第一腔体（1）内表面以及所述第二锥体（2）外表面均喷涂有红外高发射涂层（3）。

4.根据权利要求3所述的高精度黑体腔的制作方法，其特征在于，所述红外高发射涂层（3）的发射率大于等于0.8。

5.根据权利要求1所述的高精度黑体腔的制作方法，其特征在于，所述锥形段（12）的锥角为35°~37°。

6.根据权利要求5所述的高精度黑体腔的制作方法，其特征在于，所述第二锥体（2）与所述锥形段（12）的锥角相同。

7.根据权利要求6所述的高精度黑体腔的制作方法，其特征在于，所述缺口（120）的直径为所述柱形段（11）直径的1/25~1/8。

8.根据权利要求1所述的高精度黑体腔的制作方法，其特征在于，所述第一腔体（1）的壁厚为0.3~0.8mm。

9.根据权利要求8所述的高精度黑体腔的制作方法，其特征在于，所述第二锥体（2）为腔体结构，所述第二锥体（2）的壁厚与所述第一腔体（1）的壁厚相同。

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