三种短黑体空腔的比较研究*

熊玉亭 崔 超 余时帆 吕 玲 陈奕豪 王 晓

(浙江省计量科学研究院，杭州 310018)



三种短黑体空腔的比较研究*

熊玉亭 崔 超 余时帆 吕 玲 陈奕豪 王 晓

(浙江省计量科学研究院，杭州 310018)

分别设计了锥形、楔形和圆柱形三种形状的黑体空腔，腔体内径为50mm，长度为50～150mm。三款腔体使用相同的材料加工，并对其内部进行相同的喷漆涂黑处理。将三款黑体腔放置在同一恒温槽内，并用二等标准铂电阻温度计监控槽内实际温度，使用高精度辐射温度计测试其8～14μm波段的亮度温度，通过试验和理论计算筛选出高空腔发射率(发射率大于0.995)的腔体作为便携式黑体计量炉的内部腔体。最后，对该研究的成果做了总结，并对便携式黑体计量炉的发展提出了展望。

便携式黑体；黑体腔；腔体结构

0 引言

近几十年来，红外测温技术迅速发展，它在现代军事技术、工农业生产、资源勘测、气象预报、环境科学和食品安全等许多领域中的应用日益增多。为了保证红外测温仪在各个领域中有效、正确的使用，必须对其进行定期的校准与维护，以保证其量值的准确、可靠。

黑体计量炉作为红外测温仪校准的主要标准器，其性能直接影响红外测温仪的量值是否准确[1]。为了适应日常送检的大量红外辐射温度计的校准需求，以及工业现场不方便拆卸的在线式红外测温仪的校准需求，提高对红外辐射温度计温度校准工作的效率，很有必要研制一款升降温快速、测温准确度高、体积小巧的便携式黑体计量炉。

黑体的发射率和均匀性是评价黑体优劣的重要指标。黑体空腔的几何结构不同，直接影响黑体的发射率和均匀性。有别于传统的、体积庞大的、基于恒温介质的黑体辐射源，便携式黑体计量炉的外形小巧，中低温温度范围和半导体片加热/制冷等特点，对腔体结构提了来不同的要求。因此，为找到更小尺寸、更低成本、更高发射率和更优均匀性的便携式黑体计量炉腔体，本文将对其几何形状和长径比进行研究和探讨。

1 腔体结构设计

1.1 腔体长度设计

一个密闭空腔中的辐射就是黑体辐射，但绝对黑体只是一个理想的概念，为了从腔内取出辐射，需在密闭空腔上开一小孔，它就成了实际黑体。因此，理论上来说黑体腔的腔口越小，腔长越长则越少辐射能逸出，黑体腔越接近物理学的理想黑体模型。但是实际使用中，为了实现便携式黑体计量炉的便携性要求内部黑体腔尺寸尽量短，因此设计腔体长度为50～150mm的范围。

1.2 腔口尺寸设计

根据调查统计，辐射温度计校准实验室中600℃以下的中低温黑体辐射源的腔口尺寸一般在30～60mm。实际校准中，当测量目标直径小于30mm时，一般无法准确得到校准结果。表1为当测量距离为100～1000mm时，日常校准工作中的红外辐射温度计对测量目标直径S的最低要求。根据有关规程的要求，腔底(或腔口)的面积要大于测量目标的1.25倍[2]。因为辐射温度计光路是看不见的，若腔底(或腔口)的面积等于或接近测量目标，则实际校准中很难确定在什么位置能恰好将光路对准。另外，对于双激光点瞄准和环形激光圈瞄准的红外辐射温度计，在校准时需要较大尺寸的腔口，若腔口过小则会影响瞄准目标。因此，黑体腔的腔口尺寸设计为50mm是比较符合绝大部分红外辐射温度计对靶面大小和视场角要求的。

表1 各种红外辐射温度计的测量目标的直径S mm

1.3 腔体形状设计

中低温黑体空腔的形状主要有圆柱形、锥形、圆锥-圆柱形、楔形、球形和双锥形等[3]。作者从加工制作的难度、内部均匀喷漆的难度、等温均温加热的难易程度以及经济等方面考虑，设计了圆锥-圆柱形、楔形和圆柱形三种形状的黑体空腔，如图1所示，其中圆锥-圆柱形和圆柱形腔体腔长为50～150mm，而楔形腔体由于其前部尺寸限制，腔长为100～150mm。

2 腔体发射率理论计算

黑体空腔的发射率是评价其性能的核心指标，为了简化空腔发射率的计算，各国科学家提出来一些近似的计算方法，本文选择通过积分法推倒出的黑体空腔有效发射率的近似计算方程[4]来作为三种腔体的黑体发射率理论计算的依据。

图1 三种黑体空腔结构图

(1)

式中：ε2为黑体腔内表面的发射率；R0为腔口半径；L为腔底瞄准中心点到腔口的距离。

从式(1)可以看出，黑体发射率只与黑体腔口半径、黑体腔底瞄准中心点到腔口的距离和黑体腔内表面的发射率有关。腔体内部采用在光谱8～14μm范围内发射率为0.95的进口漫反射涂层材料涂黑，通过式(1)计算得三种腔体的理论发射率如表2所示。

表2 三种黑体空腔的理论发射率

根据JJG 856—1994《500℃以下工作用辐射温度计检定方法》的要求，黑体辐射源的靶面有效发射率为0.995～1.005[5]。因此，从表2 可以看出，腔口50mm的圆锥-圆柱形腔体和圆柱形腔体腔长为80～150mm，楔形腔体腔长为130～150mm为理论上符合发射率要求的腔体。

3 腔体发射率实验验证

可采用间接测量的实验方法对三种腔体发射率进行验证，验证步骤如下：

1)将被测腔体(如图2)放在温度均匀的液体恒温槽中，设定温度分别为30℃，50℃和80℃，并用二等标准铂电阻温度计监测水温。

2)用工作波段为8～14μm的辐射温度计HEITRONICS TRTⅡ和TRTⅣ作为传递辐射温度计[6]，测黑体腔8～14μm带宽亮温，对照校准证书修正后的测量温度平均值作为实验结果。

3)将发射率ε=0.995带入式(2)得出有效带宽亮度温度和黑体温度Tb的偏差ΔT1。

(2)

式中：T为黑体温度，K；Tb为三种被测黑体腔的有效带宽亮温，K；l 为工作波长，m；TAM为环境温度，K(实验室的环境温度恒定为20℃，及293.15K)；c2=1.4388×10-2m·K，为第二辐射常数。

由于试验的温度范围在低温段，因此需考虑环境温度的影响，式(2)是依据普朗克定律[7]和有效亮度温度的定义[8～10]得出的。

4)计算标准铂电阻温度计测得的温度值和辐射温度计测量值之差ΔT2。

5)如果ΔT1≥ΔT2，发射率指标符合(即发射率大于0.995)；如果ΔT2>ΔT1发射率指标不符合(偏低)。

图2 实验用圆柱形黑体腔

使用辐射温度计测量黑体腔带宽亮温时，将其发射率设置为1.000，距离腔口φ25mm的光阑0.36m(如图3所示)。这是因为：1)辐射温度计测得的结果需加修正值使用，故测试条件同其量值溯源时的校准条件保持一致；2)消除传递辐射温度计辐射源尺寸效应(SSE)对黑体辐射源辐射温度测量的影响。

图3 腔体发射率实验

通过Matlab数值求解式(2)，已知ε，黑体辐射温度T，求解黑体腔的亮度温度Tb，如表3所示。可以看出，若黑体腔在三个温度点的ΔT2分别小于0.09、0.26和0.48，则认为黑体腔的发射率大于0.995。

表3 黑体腔在三个温度点的亮度温度计算值

通过实验，得到三种形状的腔体不同腔长的ΔT2见表4～表6。

表4 圆锥-圆柱形腔体不同腔长的ΔT2值

表5 楔形腔体不同腔长的ΔT2值

表6 圆柱形腔体不同腔长的ΔT2值

4 腔体结构选择

从表4、表5和表6的实验数据可以看出：

1)腔口50mm的腔长为110～150mm的圆锥-圆柱形腔体，腔长为120～150mm的楔形腔体和腔长为150mm的圆柱形腔体均为满足发射率大于0.995的腔体。

2)三种结构的腔体的亮度温度与黑体辐射温度的接近程度由高到低为：锥形腔体>楔形腔体>圆柱形腔体。

3)虽然本验证实验在一定程度上会受到所用辐射温度计性能的影响，但三种结构腔体的带宽亮度温度均随着腔长的增大有逐渐增大的统计趋势。因此，实验验证结果应该是比较可信的结果。

5 结论

本文主要针对便携式黑体计量炉对内部腔体尽量短小的特殊要求，设计了锥形、楔形和圆柱形三种形状的黑体空腔，腔体内径均为50mm，长度为50～150mm。经过试验测试，腔长110～150mm的锥形腔体或腔长为120～150mm的楔形腔体适用于便携式的浴式黑体辐射源，腔长为150mm的圆柱形腔则适用于半导体片加热制冷式黑体辐射源。

可满足红外测温仪工业现场校准需求的便携式黑体计量炉，以其体积小、重量轻、腔口径大和发射率高等优点，将会受到红外校准实验室和工厂计量部门的欢迎，同时会是黑体辐射源的一个发展进化方向。

[1] 马兰,蔡静.黑体辐射源现场校准中若干影响因素的探讨[J].工业计量,2013,23(3):73-75

[2] 李吉林,肖功弼,等.辐射测温和检定/校准技术[M].中国计量出版社，2009

[3] 许杰,杨林华,等.低温电源黑体关键技术及国内外发展现状[J].航天器环境工程,2011,28(2):151-155

[4] 段宇宁,原遵东,等. 温度均匀黑体空腔有效发射率近似计算方法(黑体辐射源研究之一)[J].现代计量测试,2000(4):3-8

[5] JJG 856—1994 500℃以下工作用辐射温度计检定方法

[6] 柏成玉,原遵东,王景辉.传递辐射温度计性能试验研究[J].计量学报,2007,28(3A):109-111

[7] 王铁军,原遵东,等.BF-50B黑体辐射源标准装置的研制[J].现代科学仪器,2003,4:23-25

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[9] 原遵东,陈桂生.发射率影响修正近似公式及其适用性分析[J].计量技术,2013(4):7-10

[10] 李希明,李文军,等.在中低温条件下环境辐射对光谱发射率测量的影响[J].计量学报,2014,35(1):10-12

*浙江省质量技术监督局一般类纵向科研项目(20140212)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.12.04