黑体辐射源校准方法及亮度温度不确定度评定

王浩 苗丽

【关键词】黑体辐射源；校准；不确定度

黑体辐射源是温度已知并可稳定工作的热辐射源，通常由黑体空腔、温度测量与控制系统等构成。空腔通常为圆柱+圆锥形，圆柱+半球形，圆柱形或球形等。

1 校准方法

-50～1000 ℃范围内，使用标准黑体辐射源（热管变温黑体辐射源）作为标准器，采用比较法，用比较用辐射温度计（以下简称“辐射温度计”）比较标准黑体辐射源和被校黑体辐射源的亮度温度。600 ℃以上，使用标准光电高温计作为标准器，采用直接测量法，用标准光电高温计测量被校黑体辐射源的亮度温度。

1.1 校准温度点的选择

在黑体辐射源温度范围内均匀分布，优先选择整百温度点，也可根据客户要求选择实际的常用温度。

1.2 校准步骤

1.2.1 亮度温度

1）使用标准黑体辐射源作为标准器

将标准黑体辐射源和被校黑体辐射源均设定在被校温度点。使用辐射温度计的瞄准装置，通过调整辐射温度计的位置使辐射温度计与标准黑体辐射源（或被校准黑体辐射源）有效辐射区域中心同轴，在距黑体辐射源靶底中心0.5 m位置瞄准并对焦（定焦的辐射温度计，以实际焦距作为校准距离）。

设定标准黑体辐射源和被校黑体辐射源的温度在偏离设定温度点1 ℃以内，稳定后，瞄准标准黑体辐射源，记录n 次（不少于2 次）标准黑体辐射源的辐射温度计示值，再瞄准被校黑体辐射源，记录n 次（不少于2 次）被校黑体辐射源的辐射温度计示值，交替进行m组（不少于2 组）的比较测量。每一组比较测量应在1 min内完成。

2）使用标准光电高温计作为标准器

将被校黑体辐射源均设定在被校温度点，使用标准光电高温计的瞄准装置，通过调整标准光电高温计的位置使标准光电高温计与被校准黑体辐射源有效辐射区域中心同轴，在距黑体辐射源靶底中心1 m位置瞄准并对焦（对于定焦的标准光电高温计，以实际焦距作为校准距离）。

设定被校黑体辐射源的温度在偏离设定温度点1 ℃以内，稳定后，瞄准标准黑体辐射源，记录2 次被校黑体辐射源的辐射温度计示值。

1.2.2 温度均匀性

在距离黑体辐射源中心半径70%的位置，取中、上、左、下、右五个位置进行校准（如图1 所示的1、2、3、4、5 点）。

设定被校黑体輻射源温度在偏离设定温度点1 ℃以内，稳定后，使用辐射温度计（或标准光电高温计）的瞄准装置，通过调整辐射温度计（或标准光电高温计）的位置使辐射温度计（或标准光电高温计）与被校准黑体辐射源同轴，此时辐射温度计（或标准光电高温计）瞄准黑体辐射源的中心位置，记录n次（不少于2 次）被校黑体辐射源的辐射温度计（或标准光电高温计）示值，然后将辐射温度计（或标准光电高温计）等距离地移动到黑体辐射源的左部，记录n 次（不少于2 次）被校黑体辐射源的辐射温度计（或标准光电高温计）示值，按照1→2、1→3、1→4、1→5 的顺序交替进行。

1.2.3 温度稳定性

将被校黑体辐射源温度设定在校准温度点，稳定后，使用辐射温度计（或标准光电高温计）的瞄准装置，调整辐射温度计（或标准光电高温计）的位置使辐射温度计（或标准光电高温计）与被校准黑体辐射源有效辐射区域中心同轴，每隔1min 记录被校黑体辐射源的辐射温度计（或标准光电高温计）示值1 次，至少测量10 次。

2 数据处理

2.1 亮度温度

按照1.2.1 中1）的操作过程，分别取标准黑体辐射源、被校黑体辐射源的辐射温度计示值，按公式（1）计算被校黑体辐射源的亮度温度。

式中：tc 为被校黑体辐射源的亮度温度，℃；ts 为标准黑体辐射源的亮度温度（由证书中给出），℃；tsr 为辐射温度计测量标准黑体辐射源的亮度温度示值的平均值，℃；tbr 为辐射温度计测量被校黑体辐射源的亮度温度示值的平均值，℃；m为比较测量的组数；n 为每组测量的次数。

按照1.2.1 中2）的操作过程，读取被校黑体辐射源的辐射温度计示值，按公式（2）求得被校黑体辐射源的亮度温度。

式中：tc 为被校黑体辐射源的亮度温度，℃；ts 为标准光电高温计的亮度温度（由证书中给出），℃；t 为被校温度点，℃；tbr 为标准光电高温计测量被校黑体辐射源的亮度温度示值的平均值，℃。

2.2 温度均匀性

按照1.2.2 的操作过程，取被校黑体辐射源在各个位置的辐射温度计读数，按公式（3）求得被校黑体辐射源的温度均匀性。

2.3 温度稳定性

按照1.2.3 的操作过程，取被校黑体辐射源的辐射温度计读数最大、最小值，按公式（4）求得被校黑体辐射源的温度稳定性。

3 黑体辐射源亮度温度校准结果不确定度评定

按照上面的校准步骤，对黑体辐射源的亮度温度进行校准，下面以亮度温度在50 ℃温度点的校准结果为例，进行不确定度评定。

3.1 黑体辐射源亮度温度校准结果不确定度数学模型

黑体辐射源亮度温度的数学模型为：

式中：tc 为被校黑体辐射源的亮度温度，℃；ts 为标准黑体辐射源的亮度温度，℃；Δtr 为辐射温度计测量被校黑体辐射源与标准黑体辐射源的亮度温度示值之差，℃。

3.2 合成方差和灵敏系数

3.3 50 ℃温度点测得的黑体辐射源亮度温度的不确定度

3.3.1 输入量ts 引入的不确定度u （ ts ）

由标准黑体辐射源的校准证书得：u （ ts ）= 0.04 ℃。

3.3.2 输入量Δtr 引入的不确定度u （ Δtr ）

3.3.2.1 重复测量引入的不确定度u （ Δtr1）

在校准温度为50 ℃时，辐射温度计分别测量标准黑体辐射源和被校面辐源2 次，共测量5 组，共计10 次，测量值及计算结果见表1 和表2

在实际校准中，测量结果为四次测量值的平均值，所以平均值的标准不确定度为u （ tˉsr ）= S （ tˉsr ）÷ 4 = 0.016 ℃。

在实际校准中，测量结果为四次测量值的平均值，所以平均值的标准不确定度为u （ tˉbr ）= S （ tˉbr ）÷ 10 = 0.024 ℃。

3.3.2.4 黑体辐射源发射率修正引入的标准不确定度u （ Δtr4）

标准黑体辐射源发射率为0.998，以0.998 为参考值，比较用辐射温度计的发射率设置为1.0，被校黑体辐射源的发射率设置为1.0，其带来的标准不确定度用光谱亮度表示的普朗克公式及黑体辐射源实际温度和亮度温度的关系式求得，工作波段等效波长取11 μm，即：

3.4 合成标准不确定度

3.5 黑体辐射源亮度温度校准结果扩展不确定度