專利名稱：一種黑體輻射源的腔體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及黑體輻射源空腔裝置，特別是涉及一種黑體輻射源的腔體裝置。
背景技術(shù)：
2003年春季，SARS病毒像一個幽靈悄然降臨全國各地，由于人們對其認知度很 低，加之該病毒具有非常強的傳染性，如不能正確應對，及時控制，后果將不堪設想。同樣， 2009年在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)在甲型Hmi流感病毒，也具有一定的傳染性，需要及早發(fā)現(xiàn)，及 早隔離，及早治療。隨著人們對傳染病毒特點及其傳染方式的不斷認識，在口岸及人群聚集地篩揀高 溫個體成了避免傳染病毒擴散的最有效的方法。由于傳染病毒具有越長時間越近距離接觸 傳染性越強的特點，因此兼有快速及非接觸特點的紅外溫度計的使用成了快速篩揀發(fā)燒人 體的安全有效的方法。在抗非典行動期間我國進口 了大約200，000臺紅外溫度計。隨著紅外溫度計在機 場、車站、商場等地的大量應用，如何對紅外溫度計進行校準，尤其是對一些經(jīng)過改制、在現(xiàn) 場固定安裝的溫度計進行現(xiàn)場校準就顯得非常重要。這就需要紅外溫度計校準裝置來用于 現(xiàn)場校準紅外溫度計，因此便攜、在非實驗室環(huán)境使用及滿足要求的校準精度成為需求的
^^點ο

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種黑體輻射源的腔體裝置，滿足便攜、在非實 驗室環(huán)境使用及滿足要求的校準精度的紅外溫度計校準裝置的需要。( 二 )技術(shù)方案為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案提供一種黑體輻射源的腔體裝置，所述腔體 包括第一空腔和第二空腔，所述第一空腔和第二空腔分別設置為圓柱-圓錐形；所述第一 空腔的開口處一端為圓柱形空腔，該圓柱形空腔的底部為圓錐形空腔；所述第二空腔的開 口處一端為圓柱形空腔，該圓柱形空腔的底部為圓錐形空腔；所述第二空腔的圓柱形空腔 內(nèi)設置有隔熱板。上述黑體輻射源的腔體裝置中，所述第二空腔的圓柱形空腔的長度小于所述第一 空腔的圓柱形空腔的長度。上述黑體輻射源的腔體裝置中，所述第二空腔的圓柱形空腔內(nèi)設置有一層或多層 隔熱板，形成封閉空腔。上述黑體輻射源的腔體裝置中，所述第一空腔的圓柱形空腔的內(nèi)壁上噴涂高發(fā)射 率材料，形成黑體空腔。上述黑體輻射源的腔體裝置中，還包括沿所述腔體徑向設置在所述第一空腔和第 二空腔之間的第一安裝孔和第二安裝孔，所述第一安裝孔內(nèi)安裝有溫度控制器，所述第二安裝孔內(nèi)安裝有測溫傳感器。(三)有益效果上述技術(shù)方案中黑體輻射源的腔體設計為雙圓柱-圓錐的內(nèi)腔，保證了空腔的溫 度均勻性；長圓柱-圓錐內(nèi)腔壁上噴涂高發(fā)射率材料形成黑體空腔，保證了在短深度且大 口徑空腔內(nèi)獲得高的空腔有效發(fā)射率；第二空腔較短的尺寸及多層隔熱板設計，有效地減 小了整個空腔的尺寸，有利于便于攜帶的目的；同時，該輻射源適合非實驗室環(huán)境使用，填 補了我國對高準確度紅外輻射溫度計進行現(xiàn)場校準裝置的空白。


圖1是絕對黑體空腔模型；圖2是常見實用黑體空腔形狀；圖3是本發(fā)明實施例的黑體輻射源的腔體裝置中的腔體結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是BF-50B黑體輻射源標準裝置原理圖；圖5是BF-50B黑體輻射源控制系統(tǒng)圖；圖6是黑體輻射源工作在30°C時的控溫穩(wěn)定性7是黑體輻射源工作在38°C時的控溫穩(wěn)定性8是黑體輻射源工作在50°C時的控溫穩(wěn)定性9是黑體空腔溫度在30°C時的軸向溫場分布10是黑體空腔溫度在40°C時的軸向溫場分布圖。其中，1 入射輻射；2 第一空腔；3 第二空腔；4 第
-隔熱板；5 第二隔熱板；6
第一安裝孔；7 第二安裝孔。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施 例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。熱輻射是以電磁波傳遞的能量。只要物體的溫度高于零開爾文(OK)，物體總是不 斷地把熱能變?yōu)檩椛淠埽蛲獍l(fā)出熱輻射。當熱輻射的能量輻射到物體的表面時，和可見光一樣，也發(fā)生吸收、反射、和穿透 現(xiàn)象。當投射到物體表面的輻射能量全部被物體吸收且沒有反射和穿透現(xiàn)象時，我們稱該 物體為絕對黑體，簡稱黑體。黑體輻射遵循一定的規(guī)律，普朗克定律給出了黑體輻射出度
與波長和溫度的關(guān)系，由此我們可以通過獲得已知波長λ下的輻射出度Μ，進而得到溫度。 m^ =^rrl輻射溫度計一般由光學系統(tǒng)、探測器和信號處理裝置組成。輻射溫度計通過光學 系統(tǒng)對準被測目標，將從被測目標發(fā)射出的能量匯聚到探測器上產(chǎn)生電信號，再通過信號 處理裝置將電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號給出。我們一般稱工作于紅外波段的輻射溫度計為紅外 溫度計。紅外溫度計對測量距離D及被測目標大小S有一定的要求，因此校準紅外溫度計用的實用黑體輻射源都要求其口徑滿足溫度計對目標的要求。紅外溫度計校準時，通常是用紅外溫度計對準溫度已知的標準黑體輻射源進行測 量，將輻射源的溫度傳遞到被校紅外溫度計。接近于物理學絕對黑體的黑體空腔模型如圖1所示。由于絕對黑體空腔模型在空腔表面的開孔非常小，所以由小孔進入空腔的輻射光 在空腔內(nèi)經(jīng)多次反射后再由小孔射出的能量小到可以忽略不計。由于紅外溫度計及其他 應用對象都要求黑體具有一定尺寸的開口，因此實用黑體由腔口反射出的能量是不能忽略 的。常見的實用黑體空腔形狀見圖2?？紤]到利于加工，容易獲得均勻溫場，目前最常用的形狀是圖2(a)所示的圓柱形 空腔及圖2(b)所示的圓柱-圓錐形空腔。當空腔內(nèi)壁是理想的漫反射面時，圓柱形與圓 柱-圓錐形結(jié)構(gòu)的整體性能非常相似。但由于空腔內(nèi)壁很難保證沒有鏡面反射，因此目前 大多實用黑體空腔都選擇了圖2(b)的形狀。本發(fā)明實施例中，黑體輻射源的腔體裝置的空腔設計為圓柱-圓錐形結(jié)構(gòu)。如圖3 所示，腔體包括第一空腔2和第二空腔3，第一空腔2和第二空腔3分別設置為圓柱-圓錐 形；第一空腔2的開口處一端為圓柱形空腔，該圓柱形空腔的底部為圓錐形空腔；第二空腔 3的開口處一端為圓柱形空腔，該圓柱形空腔的底部為圓錐形空腔；第一空腔2的圓柱形空 腔的長度大于第二空腔3的圓柱形空腔的長度。第一空腔2的圓柱形空腔的內(nèi)壁上噴涂高發(fā)射率材料，使第一空腔2形成黑體空 腔；在本實施例中，優(yōu)選采用發(fā)射率為0. 96的高發(fā)射率材料。高發(fā)射率涂料的性能直接影 響黑體空腔的結(jié)構(gòu)與性能，涂料的發(fā)射率越高，將能在同樣空腔有效發(fā)射率要求條件下，使 空腔口徑與深度的比越大，實用性越強。第二空腔2的圓柱形空腔內(nèi)還設置有若干個隔熱板，在本實施例中，包括兩個隔 熱板，設置在圓柱形空腔靠近圓錐形空腔位置處的第一隔熱板4和設置在圓柱形空腔端部 的第二隔熱板5。為滿足常用紅外溫度計、熱像儀及紅外體溫篩檢儀的分度需求，第一空腔2和第 二空腔3 口徑設計為60mm，根據(jù)空腔有效發(fā)射率的設計要求及選用的高發(fā)射率涂料的發(fā)射 系數(shù)，通過計算確定第一空腔2長度為180mm，第一空腔2和第二空腔3腔底錐角為120°， 主要是為了將空腔內(nèi)壁可能的鏡面反射分量對空腔發(fā)射率的影響降到最小。實用黑體空腔除應具有經(jīng)過設計的空腔形狀和高發(fā)射率的內(nèi)壁外，空腔內(nèi)壁還應 有一個趨于均勻的溫度分布。為獲得等溫的黑體空腔，常用的均溫方式有三種(a)將空腔 放入恒溫液體槽以獲得均勻溫場；(b)使用等溫熱管以獲得均勻溫場；(c)選用高導熱系數(shù) 的金屬塊(依據(jù)使用溫度不同選用不同的金屬)作為均熱材料以獲得均勻溫場。只要溫度范圍許可，恒溫液體槽通常能夠得到較理想的溫場均勻性。但液體槽不 便于攜帶，且受液體槽限制，通常情況下空腔開口方向不能調(diào)整，不適用于對航空口岸等地 固定安裝的溫度計的校準；在30°C 50°C溫度范圍，熱管也是一個較理想的均熱方式，但 一方面由于當時特殊時期對加工周期的嚴格要求，另一方面，均熱熱管的布網(wǎng)方式、充液量 均考慮了熱管的使用方式，當熱管使用偏離設計條件時(如將熱管傾斜放置)，熱管的均熱 性能將大打折扣。因此當校準現(xiàn)場固定安裝的紅外溫度計時，熱管并不十分理想。
對于30°C 50°C的溫度范圍這一特定的設計要求，高導熱系數(shù)的紫銅或鋁通常 被用來做均熱材料；由于溫度范圍與使用時的環(huán)境溫度偏離不大，通過加熱功率布置及其 它一些設計上的考慮，很容易獲得較好的溫場均勻性。本發(fā)明實施例的BF-50B黑體輻射源的黑體空腔采用紫銅作均熱材料，結(jié)構(gòu)設計 見圖3所示。本實施例中，第一空腔2 口徑為60mm，總深度，即圓柱形空腔和圓錐形空腔的總長 度之和為180mm，底部的圓錐形空腔的腔底錐角120°。腔體外經(jīng)83mm，總長^Omm。為了 獲得好的溫場均勻性，空腔使用導熱系數(shù)較好的紫銅材料制成。加熱器被均勻布置于空腔 外部，因此腔底前后越長，腔底前部的等溫段將越長，同時，腔底與側(cè)壁的溫差也越小。由于 輻射源主要用于現(xiàn)場校準，所以在保證基本技術(shù)指標的前提下便于攜帶是對其提出的另一 個要求。為減小體積，在第一空腔2后部的第二空腔中設計了若干塊隔熱板以減小第一空 腔2底部向后的輻射換熱，使得第一空腔2后部以較短的長度保證第一空腔2底部與側(cè)壁 的溫度均勻。在靠近第一空腔2腔底處，在第一空腔2和第二空腔3之間沿腔體徑向設置 了兩個安裝孔，第一安裝孔6用于安裝溫度控制器，本實施例優(yōu)選控溫鉬電阻；第二安裝孔 7用于安裝測溫傳感器，本實施例優(yōu)選測溫鉬電阻，溫度控制器和測溫傳感器用于對控溫儀 進行校準或使黑體輻射源獲得更高溫度準確度。為對輻射源的性能有更全面的掌握，一臺輻射源的腔體側(cè)壁從前后沿軸向分別鉆 了兩個直徑4. 2mm，深150mm的孔，用來測量黑體空腔的軸向溫場分布。對于30°C 50°C這一溫度范圍，使用電加熱膜加熱通常是較理想的加熱方式。一 方面由于加工周期長，無法短時間內(nèi)滿足課題的需求；另一方面，加熱膜一旦設計加工完 成，功率分布將無法調(diào)整，因此在考慮方案時放棄了這一選擇。BF-50B黑體輻射源的黑體空腔選擇的加熱方式是使用電熱絲加熱。但在設計時須 考慮下面因素a.加熱功率。加熱功率過大容易造成升溫時的超調(diào)，增加溫度穩(wěn)定所需時間，同時 還影響控溫性能；功率過小同樣影響控溫性能，同時還會使升溫過慢，降低效率。BF-50B的 加熱功率是這樣選擇的首先建立黑體腔的傳熱模型，通過分析計算得出一個理論上的加 熱功率，然后給出一個適當?shù)挠嗔?。再?jīng)過實驗進行優(yōu)化調(diào)整，通過控制系統(tǒng)的限制功能對 加熱功率進行適當限制，最終給出一個合適的加熱功率。b.電絕緣。由于腔體選用紫銅做均熱材料，加熱絲與腔體的電絕緣是需要著重考 慮的。一方面出于安全考慮電絕緣必須絕對可靠；另一方面又要考慮加熱絲與腔體間不能 有過大的熱絕緣。這里我們首先在腔體表面薄薄地涂了一層導熱硅橡膠，然后包上一層厚 0. 04mm，具有良好導熱性與電絕緣性的聚酰亞胺薄膜，在薄膜外纏上直徑0.3的鐵鉻鋁電 熱絲，最后在絲外覆上一層普通硅橡膠，目的是固定加熱絲，同時又起一定的保溫效果。c.加熱功率分布。腔體結(jié)構(gòu)見圖3，由于靠近空腔口部向外部的散熱大于空腔底 部，通常情況下，靠近空腔口處的功率密度應稍大于空腔底部，以避免空腔口部溫度與腔底 溫度出現(xiàn)較大偏差。但由于設計的使用溫度范圍僅為30°C 50°C，與環(huán)境溫度相差不大， BF-50B采取了加熱功率均勻分布于整個腔體外部的方式，預計不會對溫場帶來太大影響， 后來的溫場測試也驗證了這一點。加熱絲從腔口一端開始，每圈間隔約3mm，沿軸向均勻纏 繞至另一端。加熱絲均勻布置也使得制作時容易保證制作工藝水平，使得每臺黑體間的系
6統(tǒng)差降低。d.保溫。大多數(shù)電熱設備都需要進行保溫處理，黑體輻射源也不例外，目的是節(jié)省 能源、保證電測系統(tǒng)的正常使用溫度、降低對周圍環(huán)境的影響及調(diào)整溫場。但由于BF-50B 僅使用在30°C 50°C溫度范圍，其使用溫度與環(huán)境溫度的溫差很小，一方面功率消耗很 小，造成的周圍環(huán)境的溫升也不會明顯降低控制系統(tǒng)的性能；另外，好的保溫在這一溫度范 圍將大大增加溫度控制的難度，降低控溫精度；同時，好的保溫將使輻射源降溫緩慢，降低 使用時的效率。BF-50B沒有進行特別的保溫處理，只是在加熱絲外涂敷了一層硅橡膠，目的 是固定加熱絲，同時又起一定的保溫效果。BF-50B黑體輻射源標準裝置原理如圖4，由于黑體源需用于現(xiàn)場校準，不希望再 使用另外的標準器及二次表，同時現(xiàn)場環(huán)境條件難以控制，因此我們選用了日本SHIMADEN 公司最高精度的控制儀表SR253作為溫度調(diào)節(jié)器，一方面該儀表0. 的精度可以保證黑 體源的精度滿足校準常用紅外輻射溫度計的精度要求，另一方面，該儀表受環(huán)境影響(環(huán) 境溫度、電源變化)明顯小于其它低精度儀表。圖中的鉬電阻溫度計(PRT)既是控溫元件， 又是標準器。BF-50B溫度控制系統(tǒng)見圖5，溫度控制器選用日本島電公司的SR253，SR253測量 置于腔底附近的三線制PtlOO控溫鉬電阻的溫度，通過PAC15P與MAX15晶閘管調(diào)節(jié)加熱器 的輸出功率，從而實現(xiàn)對黑體空腔的溫度控制。系統(tǒng)中使用了兩個事件繼電器EVl和EV2。 事件繼電器EVl用于超溫報警，EV2用于加快降溫速度，提高工作效率。當黑體溫度高于 55°C時，EVl動作，加熱器供電被中斷，同時散熱風扇啟動，使黑體空腔強制降溫；當新的設 定溫度低于當前溫度0. 5°C及以上時EV2動作，供電電源被切斷，同時散熱風扇啟動，使黑 體腔快速降溫。當空腔溫度低于設定溫度0. 2°C時，風扇停止，供電接通。由于控溫儀要求使用三線制電阻，因此引線電阻將影響電阻溫度的測量。在保證 鉬電阻溫度計能夠方便拆裝的前提下，應盡量縮短引線長度，并使引線長度(引線阻值)接 近，以保證測溫的準確與一致?？販胤€(wěn)定性是黑體輻射源的一個重要性能指標。首先，黑體輻射源具有穩(wěn)定的溫 度，才可能對被檢溫度計進行有效分度；其次，黑體輻射源具有穩(wěn)定的溫度，才能對溫場均 勻性進行準確測量，進而對空腔有效發(fā)射率進行有效評價。我們對200305007#黑體輻射源 分別在30°C、35°C、38°C、42°C和50°C進行了 30分鐘的控溫穩(wěn)定性實驗，實驗通過插在黑體 腔底面測溫孔中的鉬電阻溫度計測得，記錄間隔時間1分鐘，輻射源30分鐘控溫穩(wěn)定性優(yōu) 于0. 01°C。為更加直觀，圖6、圖7、圖8給出了 30°C、38°C、和50°C時的控溫穩(wěn)定性圖。靶面溫場均勻性是黑體輻射源的一個重要指標，實驗使用分辨率0. 1°C的紅外輻 射溫度計(MX4PC/NO. 9999)對多臺輻射源的靶面溫場進行了測試，測量位置分別為空腔底 部的上、下、左、右和中央。下表是紅外溫度計對4臺BF-50B黑體輻射源在38°C時溫場均勻 性的測量結(jié)果。表一
測量位置中上下左右20030506638. 638. 638. 538. 538. 權(quán)利要求
1.一種黑體輻射源的腔體裝置，其特征在于，所述腔體包括第一空腔和第二空腔，所 述第一空腔和第二空腔分別設置為圓柱-圓錐形；所述第一空腔的開口處一端為圓柱形空 腔，該圓柱形空腔的底部為圓錐形空腔；所述第二空腔的開口處一端為圓柱形空腔，該圓柱 形空腔的底部為圓錐形空腔；所述第二空腔的圓柱形空腔內(nèi)設置有隔熱板。
2.如權(quán)利要求1所述的黑體輻射源的腔體裝置，其特征在于，所述第二空腔的圓柱形 空腔的長度小于所述第一空腔的圓柱形空腔的長度。
3.如權(quán)利要求1所述的黑體輻射源的腔體裝置，其特征在于，所述第二空腔的圓柱形 空腔內(nèi)設置有一層或多層隔熱板，形成封閉空腔。
4.如權(quán)利要求1所述的黑體輻射源的腔體裝置，其特征在于，所述第一空腔的圓柱形 空腔的內(nèi)壁上噴涂高發(fā)射率材料，形成黑體空腔。
5.如權(quán)利要求1所述的黑體輻射源的腔體裝置，其特征在于，還包括沿所述腔體徑向 設置在所述第一空腔和第二空腔之間的第一安裝孔和第二安裝孔，所述第一安裝孔內(nèi)安裝 有溫度控制器，所述第二安裝孔內(nèi)安裝有測溫傳感器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種黑體輻射源的腔體裝置，所述腔體包括第一空腔和第二空腔，所述第一空腔和第二空腔分別設置為圓柱-圓錐形；所述第一空腔的開口處一端為圓柱形空腔，該圓柱形空腔的底部為圓錐形空腔；所述第二空腔的開口處一端為圓柱形空腔，該圓柱形空腔的底部為圓錐形空腔；所述第二空腔的圓柱形空腔內(nèi)設置有隔熱板。本發(fā)明黑體輻射源的腔體設計為雙圓柱-圓錐的內(nèi)腔，保證了空腔的溫度均勻性；長圓柱-圓錐內(nèi)腔壁上噴涂高發(fā)射率材料形成黑體空腔，保證了在短深度且大口徑空腔內(nèi)獲得高的空腔有效發(fā)射率；同時，該輻射源適合非實驗室環(huán)境使用，填補了我國對高準確度紅外輻射溫度計進行現(xiàn)場校準裝置的空白。
文檔編號A61B5/01GK102090884SQ20101059964
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月22日
發(fā)明者原遵東, 柏成玉, 梁宇, 段宇寧, 王景輝, 王鐵軍, 邢波 申請人:中國計量科學研究院