高精度低温面源黑体的研究

包翱翱,曹盘勋

(中电科技集团红外工程技术有限公司,北京 100015)

1 引 言

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,也就是具有一定的波谱分布。这种波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[1]。为了研究不依赖于物质具体物理特性的热辐射规律,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。

所谓黑体是指入射的电磁波全部被吸收,没有反射。最早的理想黑体理论是在1860年由基尔霍夫提出,从密闭等温腔体内的任意面元上发出的辐射是等温腔体温度下的黑体辐射。普朗克辐射定律给出了黑体辐射的具体谱分布。黑体的吸收率α=1,这就意味着黑体能够全部吸收各种波长的辐射能[2]。尽管在自然界并不存在这种理想的黑体,但用人工的方法可以制造出十分接近黑体的模型,黑体辐射源就是我们认为的接近黑体的模型。基尔霍夫理想黑体物理模型为人们研制人工黑体提供了基本的方法,即在密闭等温腔体上开一个小孔,从小孔中发出的辐射近似为黑体辐射,开孔腔体即为空腔式黑体辐射源。

标准黑体作为红外辐射源已经越来越广泛地应用于红外光学系统的校准,各种材料发射率的测量,红外探测器参数的测定,以及作为红外辐射计和红外热像仪的标准温度传递的一种装置,在科研、教学以及红外测温领域是不可缺少的设备之一[3]。

本文通过以下四个方面的研究,达到有效提高面源黑体的精度,提高使用的可靠性和均匀性的目及要求。

1)确定黑体靶面材料并通过理论计算和实验,设计并制作黑体靶面；

2)采用高精度,多传感器方式提高黑体辐射源温度控制精度和温度稳定性；

3)半导体制冷片可靠性和最大功率的考虑和确定；

4)通过实际测试,分析温度稳定性及误差是否达到设计要求。

2 工作原理

通过高精度温度传感器采集黑体靶体温度,经信号放大滤波送入PID控制器中进行计算,确定微分、比例、积分参数并通过输出控制,驱动功率模块对黑体靶面进行加热或制冷。其工作原理框图见图1所示。

图1 低温面源黑体工作原理图Fig.1 Theory of low temperature extended area blackbody

3 关键技术指标要求

关键技术指标如下:

温度控制范围:10～60 ℃

温度控制精度:0.01 ℃

温度稳定性:±0.01 ℃

有效靶面尺寸:100 mm×100 mm

有效靶面不均匀度:±0.15 ℃在80%区域内

恒温时间:30 min

有效发射系数:0.97±0.02

4 面源黑体的设计

4.1 黑体靶面结构设计和处理

黑体靶面结构的选择通常基于有效发射率、实际加工、等温均温加热的难易程度以及经济等方面的考虑。这是因为黑体辐射源的有效发射率和黑体靶面材料、靶体的形状以及靶体内部的等温程度有关,对黑体靶面材料的一般要求是:材料表面的发射率高,并尽可能具有漫反射性能；在黑体工作温度范围内要有好的抗氧化能力,如采用氧化发黑,氧化层应不易脱落,可长期在空气中使用,此外,为了获得均匀的温度分布,材料应具有较高的热传导性能。较大的热传导系数,在本次设计中黑体靶面的材料采用紫铜,其性能具有很好的抗氧化能力和较高的热传导性能,并把靶面加工成100 mm×100 mm厚度为10 mm的紫铜板,外表面用粗金刚砂喷丸使其表面打出均匀的坑凹,再氧化发黑处理,烘烤后去除油污并喷图高发射率无光黑漆,提高靶面的有效发射率。

4.2 黑体靶面温度误差的计算

当辐射源处于某一稳定的温度状态时,辐射源发射率系数为0.97时,传感器探测到的温度值为TSV,黑体靶面的温度值为T,表面温度均匀,黑体靶面热辐射面积为A,黑体靶面的厚度δ=0.01 m,工作环境室温为20 ℃。导热过程为稳态导热过程。

根据傅里叶定律:

式中，靶面导热系数λ=155 W/(m·K)

根据斯特藩-玻尔兹曼定律:

Φσ=εAσ(TSV4-T4)

(2)

式中，σ=5.67×10-8W/(m2·K4)；靶面发射率ε=0.97。

表面散热量:

Φh=hA|(T-293)|

(3)

式中，h=5.75 W/(m2·K)。

由Φ=Φσ+Φh可得:

5.5×10-8T4-205.75T-5.5×10-8TSV4

+200TSV+1684.75=0

(4)

则当TSV已知,可求得靶面表面温度T,如表1所示。

表1 黑体靶面理论温度值与偏差Tab.1 Target face of the blackbody theoretical temperature value and deviation

4.3 采用高精度,多传感器方式提高黑体辐射源温度控制精度和温度稳定性

金属铂电阻高精度传感器较其它温度传感器的测量精度要高出许多,PT100温度传感器的线性度和一致性相对其他温度传感器要好得多,利用这一特性用四只PT100两两串联后再并联，如图2所示,其PT100温度传感器随温度变化的ΔT和单只随温度变化的ΔT是等效的,并把该信号通过电路放大和线性化处理,可有效提高其温度分辨率,将该四只PT100温度传感器插入紫铜靶面预留的四个不同位置的测温孔内,由于温度传感器所采集的数据是来自四个不同位置的温度点,其位置可根据靶面的结构进行选择,靶面的采集温度值是来自四个不同点的温度值,从金属热传导的角度讲实际上是靶面四个点的平均温度,有效地提高了靶面的测温精度且减小了由于加热的不均匀性引起的误差。

图2 温度传感器联结示意图Fig.2 Temperature sensor connection diagram

4.4 半导体制冷片可靠性和最大功率的考虑

半导体制冷片的加热和制冷的控制方式直接影响半导体制冷片模组的可靠性[4]。在控制频率低于1000 Hz时,开关控制ON/OFF(如自动调温器)和脉宽调制PWM控制是影响可靠性的因素之一,其次半导体制冷片模组的加热和制冷的频繁切换,即正负供电电极的切换是影响可靠性最主要的因素,因此在本方案中采用了加热和制冷分开两路控制的方式,而不推荐使用开关控制或者频率低于1000 Hz的脉宽调制控制,而采用了调压/调功相结合的一体化控制方式,调压方式具有对负载电流冲击小,但不可避免地带来电源污染,降低功率因数,过零调功方式避免了调压方式的不足,但无法限制电流,电流冲击较大,所以用两者结合的输出来驱动半导体制冷片的制冷,保证了制冷片的可靠性。

一般情况下,制冷片功率指的是耗电量,而不是制冷量,现在的制冷片的制冷效率一般在60%左右,也就是能效比0.6左右,很低(压缩机的热泵至少2.0以上)。以100 W为例,100 W的制冷片一般也就能产生60 W左右的制冷量(每秒大约可以从冷面吸收60 J左右的热量)而热面所产生的热量是非常大的,除了100 W的功耗所产生的热量还有60 W左右的从冷面吸收的热量总共大约160 W左右,冷热面的温度相差比较悬殊,所以要重点考虑发热面的散热问题,在发热面散热不好的情况下电流也会有所下降,特别是大功率的半导体制冷片这种现象比较突出,比如最大电流12 A的半导体的制冷片实际使用的时候电流只有10 A不到的电流,制冷片的制冷效果和发热面的散热效果有很大关系,发热面的散热效果不好冷面温度就很难降下来,由于发热面温度较高,所以散热一定要做好。本研究中采用了循环水散热加风冷的散热方式,经试验效果显著。

4.5 温度稳定性及误差试验数据

依据JJF1080—2002 -50 ℃～+90 ℃黑体辐射源校准规范,特对本次研发的面源黑体辐射源温度稳定性及误差做了试验。本次试验环境温度为(23±1)℃,环境湿度为36%。数据统计见如表2所示。

表2 面源黑体辐射源温度稳定性 及误差数据统计表Tab.2 Statistical Table of temperature stability and error data of source blackbody radiation source

5 结 论

采用高导热系数紫铜作为面源黑体靶面材料,并采用特殊加工工艺,高发射率喷涂材料,可有效提高黑体靶面的发射系数和靶面均匀性；用多个传感器采集靶面温度信号经过试验和测试有效地提高了面源黑体的温度控制精度。半导体制冷片的散热是提高制冷效率和可靠性的关键,本设计中使用循环水散热加风冷散热一体化设计达到了黑体炉研制的目的和技术指标的要求。