红外辐射温度计瞄准的平面辐射源模型

原遵东

（中国计量科学研究院，北京 100013）

红外辐射温度计瞄准的平面辐射源模型

原遵东

（中国计量科学研究院，北京 100013）

用典型红外辐射温度计的辐射源尺寸效应的实验数据说明不同测量条件下的检定／校准结果的差异可能为其最大允许误差绝对值的数倍。提出具有明确测量条件的平面辐射源瞄准模型和以辐射源前置光阑的方式对于不同空腔黑体辐射源实现相同的等效平面源直径的方法，提出了对光阑的技术特性和放置距离要求，分析表明低温辐射源对光阑的冷却作用可能引起不可忽略的示值降低。采用等效平面源模型的实验结果表明以不同几何条件的空腔黑体辐射源可得到一致的检定结果。讨论了应用平面辐射源模型可能遇到的实际技术问题和解决的对策。

计量学；平面辐射源模型；红外辐射温度计；辐射源尺寸效应；辐射测温；瞄准

1 引 言

辐射测温的测温范围向低温发展的两项主要技术措施，一是辐射测量的光谱范围由传统的可见波长转为采用红外波长，二是采用较大的测量目标，可以在较低的被测温度下获得足够的信噪比。无论源于设计难度还是成本控制，在统计上，红外辐射温度计的光学系统特性劣于可见光系统，其中较为突出的是辐射源尺寸效应（size-ofsource Effect，SSE）［1，2］。长波温度计的SSE明显劣于用于高温测量的短波温度计的SSE［3，4］。另一方面，对大目标辐射温度计而言，不少被测对象的尺度明显远离无限大辐射源。这两个原因使得红外辐射温度计测量不同大小的辐射源时SSE的影响显著，成为影响检定校准一致性和测温应用水平的主要因素［3～6］。

为此，国际电工委员会（IEC）的辐射温度计国际标准［7］要求制造商宣称辐射温度计不确定度时指出校准的测量条件，包括测量距离［7］和辐射源直径。然而，目前绝大多数辐射温度计尚未按新标准给出校准时的辐射源直径，而辐射温度计技术指标中的目标直径与校准的辐射源直径的比例关系没有明确规定，不同温度计之间差异较大；检定或校准实验室并且两者之间没有较一致的选择关系。文献［8］实验分析了采用不同辐射源时距离和调焦对辐射温度计校准结果的影响，建议采用目标直径2倍以上的辐射源，以减小校准结果的差异。

国内现行3个辐射温度计检定规程［9～11］和新的IEC国际标准中均没有明确界定在检定或校准中辐射温度计目标与辐射源之间的位置关系。不同直径的辐射源，乃至同直径不同空腔深度的辐射源，对于检定与校准不具有理想的SSE特性的辐射温度计来说是不等同的；即使采用同一辐射源，在不同测量条件下也是不等同的。实际检定中，由于不少辐射温度计产品说明书在很宽的测量距离范围给出相同的距离系数名义值，检定人员往往根据实验室的黑体辐射源实际条件来确定测量距离，加之对测量距离的理解不同，造成检定的实际测量条件有明显差异。由此引起检定结果的差异在许多情况下是不能忽略的，有时可能超过辐射温度计的最大允许误差。

本文通过典型辐射温度计SSE的测量结果，说明不同检定条件可能对检定结论有严重影响；提出检定的平面辐射源模型、实际检定中实现等效平面辐射源及其对检定的适用性的方法，并以实验结果说明采用等效平面辐射源模型后检定／校准结果的一致性。

2 不同测量距离对测量结果的影响

理想辐射温度计的测量结果只与其瞄准的目标的辐射亮度有关；而实际辐射温度计的输出受其SSE的影响还与目标以外的背景辐射的强弱有关，表现为输出信号与被测辐射源的大小及亮度有关。

对于可调焦辐射温度计，正常使用均是在目标聚焦（in-focus）状态下的，辐射温度计的SSE和距离效应（DE）［12］是影响不同测量距离和源面积下测量结果一致性的因素。

对于不可调焦辐射温度计，影响不同测量距离和源面积下测量结果一致性的因素是聚焦和失焦（out-focus）测量距离下的SSE特性。至辐射源不同实际距离的同一测量距离下的虚拟物面的映射等效平面辐射源面积不同；一般而言，不同距离下的测量距离与（可能不清晰的）视场的直径之比并不恒定。由于辐射温度计的距离系数定义为目标聚焦状态下的测量距离与视场直径之比［7］，因此，不同距离下的测量距离与（可能不清晰的）视场的直径之比不宜称为距离系数。以具有典型SSE特性的Fluke F68型8～14μm辐射温度计为例，其在不同测量距离下的SSE特性见图1（a）。具有较好的SSE特性的HEITRONICSTRT 3.82型8～14μm辐射温度计的SSE特性见图1（b）。两者的SSE函数曲线在较平坦区的SSE变化分别约为3%和0.1%。

图1 8～14μm辐射温度计在不同测量距离下的SSE特性

实验数据表明，辐射温度计在测量距离与辐射源直径保持恒定比值的不同测量距离下的SSE函数不相等，即在不同测量距离和按同一距离-源直径比确定辐射源直径的测量条件下，辐射温度计的示值有显著差异。而具有类似SSE特性的辐射温度计数量较多，在8～14μm等长波长辐射温度计中占大多数。

文献［13］分析了SSE对辐射温度计示值影响的规律。1%的SSE差异对不同波长辐射温度示值的影响见图2。不同测量条件引起的SSE差异对大多数8～14μm辐射温度计（可等效为10μm辐射温度计［14］）而言，对检定或校准结果的影响可能超过其最大允许误差绝对值，甚至为其数倍。

图2 1%SSE差异对不同波长辐射温度示值的影响

3 辐射温度计的瞄准模型

3.1 以辐射源不同位置为被测目标引起的问题

以圆柱空腔黑体辐射源不同位置为被测目标时，目标面下的源的局部直径始终不变，但空腔整体（即腔口）在此测量距离下的映射平面直径明显不同，见图3。图中简化的映射关系是近似的，但足以定性地说明问题。

图3 以黑体空腔不同深度处为测量目标时的等效平面映射源直径示意图

辐射温度计采用不同的瞄准方式时，即以辐射源空腔底部或空腔口部（乃至空腔外）等不同位置为被测目标时，虽然名义上测量距离保持不变，但存在2个问题：

（1）映射平面源尺寸不同；

（2）而且由于空腔侧壁的有效亮度分布不同导致映射平面源的亮度不均匀。

因此，辐射温度计在此条件下的测量结果不同于对同尺寸平面均匀亮度源的测量结果。而目前国内辐射温度计检定的实际操作，多采用瞄准辐射源空腔底部的方法，检定条件不一致是突出问题。

3.2 理想平面模型

在辐射温度计的检定或校准中，标准辐射源应采用平面源模型。在此模型下，应用不同形式的辐射源，测量距离和辐射源（等效）直径具有明确的、相同的意义，见图4。

图4 平面辐射源瞄准模型

3.3 等效平面辐射源形成

采用在（空腔）黑体辐射源或面辐射源前加光阑的方法获得所需直径的等效平面辐射源，见图5。

图5 等效平面辐射源

这种辐射测温等效平面辐射源模型，与辐射照度测量中的源模型形式相同，但物理意义不同。后者限定的是直接产生照度的源的大小，前者限定的是测量目标之外的背景辐射区域的大小。

3.4 对瞄准的要求及辐射源的适用性

辐射温度计的瞄准应使温度计与光阑的间距满足对测量距离的要求。对于检定，测量距离为辐射温度计的最佳测量距离或设计测量距离。对于校准，测量距离应采用用户要求的距离或检定测量距离。

检定测量距离和光阑直径的确定应根据辐射温度计的说明书信息确定。由于产品说明书信息不规范，难以采用简单统一的确定方法，此问题将另文讨论。

辐射温度计的瞄准，应通过方位调整使辐射温度计、黑体辐射源及光阑保持同轴，优先保证前二者的同轴水平。

辐射温度计通过光阑应只能“看到”黑体辐射源的亮度均匀区域，并使等效平面辐射源的发射率等于黑体辐射源空腔底部有效发射率，见图5。否则，黑体辐射源的性能不满足本文假设的检定对均匀亮度辐射源的模型要求。

相对于目前检定实验室的主流辐射源而言，本文所述瞄准模型对辐射源直径的要求更大，腔深较小的辐射源的实用性更突出。在这方面，面辐射源是理想的形式，但其发射率和温度均匀性等性能往往制约了其在高水平检定校准中的应用。

4 对光阑的要求

4.1 几何形状与反射特性

（1）一般采用金属材质基体，光阑孔直径应满足检定或校准的需求，具有薄边缘或刀口型边缘；

（2）在辐射温度计的光谱范围内，光阑面向辐射源一侧应具有高吸收比亚光表面（涂层），这对发射率明显小于1的面辐射源更为重要；面向辐射源温度计一侧应为具有高反射比的亚光表面或较高吸收比的亚光表面，其中高反射比表面对恒温的要求较低。

4.2 光阑-辐射源间距

空腔型黑体辐射源的有效吸收比高，前置光阑对辐射源辐射的反射被再次反射的比例可忽略。因此，在光阑不被显著加热和光阑的放置不影响黑体辐射源温度分布的前提下，光阑应置于靠近黑体辐射源的位置，一般距辐射源开口约5 cm；面辐射源通常具有百分之几的反射比，前置光阑对面源辐射的反射会增强面源的有效辐射亮度，影响面辐射源的亮度温度。文献［15］的实验表明，光阑置于距辐射源前不少于20 cm，光阑反射对辐射源的影响可忽略。

4.3 光阑温升对测量结果的影响

以单带通辐射温度计为例，在文献［13］对不同源尺寸与背景温度下的探测器输出信号修正的基础上，分析辐射源前置光阑温升引起的背景辐射变化对辐射温度计示值的影响。

本分析中，源与背景模型为：源半径r1不变，温度为Tb2的光阑形成的背景圆环半径从r1至r2，半径r2之外温度仍为Tb1。也可视为三温区无限大辐射源的SSE问题。可得到背景改变引起的温度示值变化ΔTBR（Tb2，Tb1）：

上式中，σ（r2，r1）＝σ（r2）／σ（r1），为辐射温度计的源半径r1到r2的SSE函数。

假设，环形背景的内半径和外半径分别为r1和r2，σ（r2，r1）＝1.01，表1为光阑区SSE影响为1%时，背景温度从20℃升高10℃（Tb1＝20℃，Tb2＝30℃）时，对1.5μm、4μm和8～14μm辐射温度计示值的影响。

表1 对辐射温度计示值的影响

从定量理论分析可看出，因辐射源的加热（或冷却）引起前置光阑的温升（或温降）10℃对辐射温度计校准的影响较弱。在较高温度，即使温升达到100℃，最大影响仅约为0.2℃。在室温附近，源的加热影响远低于10℃，可忽略。低于室温的辐射源通常用于检定或校准8～14μm辐射温度计，只要光阑与环境温度的差异不超过3℃，即使对－50℃的影响也不超过0.1℃；对较短波长的温度计，例如4μm辐射温度计，在－20℃以下的较低温度的精密校准时，光阑温度的影响应引起注意，应注意避免室温以下低温辐射源对光阑较强冷却作用的影响，1℃水平的准确测量或控制是必要的。

实际辐射温度计的SSE函数在正常检定中的σ（r2，r1）－1的数值通常为0.01的几分之一至几倍，其背景温度升高的幅度与上述理论计算不会有数量级的增加。因此，只要注意将光阑放置在受辐射源温度影响不强烈的位置，不必对光阑采取特殊的恒温措施。

虽然从光阑温度引起的SSE对辐射温度计的影响而言，光阑温升或温降影响不大，但对于发射率不够高的黑体辐射源，特别是面辐射源，光阑温度偏离室温的显著升降，会改变辐射源的辐射环境，进而影响其有效亮度温度。在大直径面辐射源前0.2 m长时间放置无专门冷却措施的黑光阑，在源温度500℃时，会引起50℃以上的光阑温度升高。因此，出于对辐射源影响的考虑，对发射率不足够高的辐射源，对光阑温度的控制是必要的。

5 校准结果验证

采用5种型号的黑体辐射源，在不同温度点对具有典型SSE特性的8～14μm辐射温度计FLUKE F68和F572分别进行校准。辐射源特性见表2。两种辐射温度计的设计测量距离分别为0.9 m和1.15 m，目标直径均为18 mm。校准时辐射源前置光阑直径采用接近目标直径1.5倍的30 mm。辐射温度计校准结果见表3。由表3可看出，虽然采用不同直径和空腔深度有较大差异的辐射源，两温度计在各自相同的等效源直径与测量距离下，在相同校准温度点下均获得了相对于最大允许误差较为一致的示值误差；两温度计示值误差较大与其出厂分度测量条件与本文条件有较大差异有关，但不影响本文上述分析结论，同时也从一个侧面反映了采用一致的瞄准测量条件对检定的重要性。

表3 采用不同辐射源的校准结果℃

6 结论与讨论

（1）由于辐射温度计的辐射源尺寸效应和距离效应的影响，辐射温度计的测量、校准或检定应注明测量距离和辐射源直径等测量条件。

（2）对空腔黑体辐射源，辐射温度计采用不同瞄准方式（聚焦位置）时，辐射源的实际等效平面映射尺寸不同、映射面亮度不均匀，即测量条件不同。

（3）辐射温度计瞄准采用平面辐射源模型，可获得具有明确和一致含义的测量条件。辐射源前置光阑的方法可实现等效平面辐射源模型。这对于SSE特性不理想的红外辐射温度计的精密测量是非常重要的，它使校准的瞄准测量条件清晰，测温应用与校准的瞄准测量条件差异的修正简单可行。

（4）对光阑影响的定量分析表明，在较高温度，辐射源的加热引起的光阑温度改变10℃，对辐射温度计的影响通常是可忽略的；但应避免低温辐射源对光阑的较强冷却作用和面辐射源可能对光阑的加热温升。

（5）对同一型号辐射温度计的检定应采用尽可能统一的测量条件。因此，理想的方式是，对辐射温度计的检定不根据辐射源的几何条件确定辐射源度计的测量条件，而是采用辐射温度计要求的测量条件并判断辐射源的适用性。目前辐射温度计产品说明书瞄准测量条件技术信息不完整、不规范，统一的检定测量距离的具体方法和可行性需进一步探讨确定。

（6）相对于以往较普遍采用的瞄准空腔底部的瞄准方式，前置光阑的等效平面源瞄准方式具有更清晰的瞄准模型和更明确的测量条件，避免了等效平面源直径的增大引起的检定或校准结果的不一致性。

（7）应用平面辐射源模型需要考虑的技术问题：

本方法用于辐射温度计检定／校准和黑体辐射源校准具有原理上的优势。

对于黑体辐射源比较法校准，在被校黑体和标准黑体前放置等直径、等温光阑是优选的瞄准测量条件；对于SSE特性不十分理想的红外长波标准辐射温度计校准，平面辐射源瞄准模型也是应优选的方案。

对于一般水平的工业级红外单一带通辐射温度计，在此方式下，检定或校准示值低于瞄准空腔底部时的示值，并随着温度计SSE特性的不理想程度而不同。检定方法从其他方法切换至此方法时，会对在用温度计的检定结果造成短期冲击。要减小这种冲击，则要求采用较大直径的光阑和相应更大直径的辐射源。

同时，采用等效平面源瞄准方式后，因瞄准偏心和不同轴引起的测量重复性（与黑体辐射源空腔底部的温度均匀性有关）的影响会相对增大。因此，相对于瞄准空腔底部，采用新瞄准方式需要操作者具有更高的方位瞄准技能，或采用较大直径的光阑和相应更大直径的辐射源。

本文讨论的测温仪器对象是SSE特性问题较为突出的红外辐射温度计。目的是使检定具有明确、统一的测量条件，获得一致的检定结果。用于高温测量的短波段辐射温度计产品的辐射源尺寸效应在统计上明显好于用于中低温测量的辐射温度计，少量红外辐射温度计也具有优异的SSE特性。此时，瞄准重复性影响可能上升为决定性不确定度因素，可调整控制不确定度因素的优先顺序，以提高瞄准重复性水平，获得最佳的综合不确定度水平。

针对目前多数在用辐射源直径偏小的现实，在制定检定规程时，需要考虑方法的统一、普遍实用性和量值延续性，需综合考虑多种因素的影响。

致谢感谢邢波、杨雪所做的辐射温度计SSE测量和分度实验。

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Plane Radiation Source Model for Infrared Radiation Thermometer Aim ing

YUAN Zun-dong
（National Institute of Metrology，Beijing 100013，China）

The typical size-of-source effect results of radiation thermometers show that verification result differences between differentmeasurement conditions are possible to be several times of the absolute value of themaximum permissible error of the thermometers.A plane radiation source（PRS）model for aiming of the thermometers with a definitive measurement condition is presented，the radiation source-preposed aperturemethod to realize a unique equivalent PRSby the radiation sources with the different cavity sizes，and the technical characteristics and placed distance requirement are also recommended.Analysis shows that an inappropriate cooling from a low temperature radiation source to the aperture leads ameasurement result drop which is not neglectable.The experiments adopted the equivalent PRSshow the consistent verification results obtained by different-characteristic radiation sources.The problemswhich would be faced up to when the PRSmodel is applied and measures are discussed.

Metrology；Plane radiation sourcemodel；Infrared radiation thermometer；Size-of-source effect（SSE）；Radiation thermometry；Aiming

TB942

A

1000-1158（2014）05-0434-06

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．05．06

2012-07-10；

2013-12-04

原遵东（1960－），福建莆田人，中国计量科学研究院研究员，主要研究方向为温度计量。yuanzd＠nim.ac.cn