基于激光积分球反射计的集成黑体发射率测量研究

集成黑体发射率是评价其有效光谱辐射亮度不确定度的关键贡献项。建立了激光积分球反射计测量系统,对中国计量科学研究院制备的集成空腔的法向光谱发射率进行了实验研究和模拟验证。在633nm的波长下测量了集成黑体法向光谱发射率,测量结果的标准不确定度优于0.043%。结果表明:集成黑体辐射源在室温条件下的有效发射率高于0.998,与STEEP3蒙特卡罗模拟计算结果偏差在0.04%之内。实验结果与数值模拟的一致性在测量结果不确定度内吻合良好,验证了激光积分球发射计法用于评价集成黑体发射率的可行性。     

等温黑体空腔积分发射率响应面法研究

高性能黑体辐射源是高精度复现辐射温度的关键装置。采用有限体积法模拟计算了黑体空腔积分发射率,其结果与Monte-Carlo法计算结果吻合良好,且在高发射率时较Monte-Carlo法能更准确地模拟空腔积分发射率的变化趋势。基于响应面试验设计,模拟了圆锥-圆柱黑体空腔长径比L/D、光阑开孔直径比Da/D、圆锥顶角θ和腔壁材料发射率ε及其交互作用对空腔积分发射率εe的影响。结果表明:Da/D和ε对εe影响显著;L/D和θ对εe的影响不显著。研究结果可为高性能黑体辐射源的研制和研究提供借鉴。     

提高积分球反射计测量准确度的方法

本文介绍了采用比较法减小或消除因光斑错位及积分球不对称所造成的误差，以提高积分球反射计测量准确度。     

发射率混合测量技术及在红外辐射测温中的应用

结合短波下利用反射法测量发射率精度高和长波下利用定义法测量发射率精度高的优点,提出了一种光谱发射率混合测量技术.测量了近红外4个波长下轻度氧化钢板的发射率,并对此技术在红外辐射测温中的应用进行了研究.实验结果表明:当实验条件控制合适时,采用该技术测量发射率的不确定度小于2%.     

大口径高发射率面型黑体辐射源的研制

黑体辐射源作为定标标准器,在红外测量设备的辐射定标中具有重要作用。为应对大口径红外测量设备的辐射定标工作需求,设计了1台辐射面积为400mm×400mm的面型黑体辐射源。采用多路控温和连接固定冷源的方式对黑体进行温度控制;通过热仿真确定合适的传热模型,同时结合高发射率涂层工艺与辐射面的结构设计使黑体具备高发射率,辐射面有效发射率可达到0.992;在真空环境下,利用标准铂电阻温度计测量得到黑体辐射面源的温度均匀性偏差最大为0.101K,稳定性平均值为0.018K/10min,该黑体辐射光源能够满足现阶段大口径红外测量设备的使用需求。     

0.95发射率辐射源模拟装置

采用局部遮挡的方法制成平均透射比为0.95的装置,用光学实验方法测量了该装置的透射比,并对可调预设发射率的辐射温度计进行了校准验证.实验证明直接将该装置置于实验室现有黑体辐射源前,可模拟0.95发射率辐射源直接校准发射率设置为0.95的辐射温度计.也可采用局部遮挡的方法建立其它发射率数值的辐射源模拟装置.     

H500型红外遥感定标高精度真空黑体辐射源的研制

对中国计量科学研究院研制的温度范围覆盖-93~220℃的H500型红外遥感定标高精度真空黑体辐射源进行了介绍。采用圆柱圆锥黑体腔和双层4段PID控温,在真空低背景(液氮冷却)环境下对该黑体进行了性能测试,在大气室温环境下,利用控制环境辐射反射比发射率测量方法测量了黑体空腔发射率和利用红外标准辐射温度计测量空腔底部温度均匀性等指标。实验结果表明,该黑体辐射源升温速率为1℃/min下,控制到温度点的稳定时间优于50 min,并且10 min内的温度稳定性在0.01℃以内;黑体温度设置在20℃、30℃和50℃下空腔发射率的测量结果分别为0.9965、0.9966和0.9963;其黑体底部温度均匀性优于0.03℃;在整个温度区域内扩展不确定度优于0.1℃(k=2)。     

辐射测温在钢铁工业中的应用及发射率对测量的影响

采用辅助吹气、侧面瞄准和底部瞄准3种辅助方法,并利用热电偶校正红外测温仪发射率的方法改进了测量钢板温度的辐射测温技术.研究结果表明:带氧化皮的钢板在1 μm附近的光谱发射率约为0.84,全波发射率约为0.85;若将工作波长为1 μm的红外测温仪的发射率设置在0.81～0.87之间,全辐射红外测温仪的发射率设置在0.83～0.87之间,则钢板在1 000 ℃时,单波长和全辐射红外测温仪因发射率波动而导致的测温偏差分别小于4 ℃和7.5 ℃.     

基于Monte-Carlo法的圆锥形黑体腔有效发射率的研究

应用Monte-Carlo法计算圆锥形黑体空腔的有效发射率,并与有限元方法进行了对比。分析了腔体的几何参数、材料发射率、探测器距腔口距离等因素对黑体腔有效发射率的影响。结果表明:两种分析方法得到的结果基本相同,即腔体长度与腔体半径比为6,开孔半径和腔体半径比为0.5,圆锥角度≥90°,材料发射率≥0.5,探测器到腔口距离达到腔体半径为15倍时,圆锥形黑体腔有效发射率较大。     

100～400K真空红外亮温标准黑体辐射源研制

介绍了中国计量科学研究院研制的100~400K真空红外亮温标准黑体辐射源的工作原理、结构、性能测试方法及测试结果。黑体辐射源通过液氮制冷与3温区控制实现了100~400K范围内的温度控制。在真空环境下,测试了其在温度范围100~400K轴向温度均匀性、底部温度稳定性等技术指标,结果表明均匀性优于0.120K,控温稳定性优于0.020K/20min;在室温大气环境下,利用基于控制环境辐射的发射率测量方法测量了黑体空腔发射率,空腔法向发射率为0.9998。采用基于蒙特卡罗黑体发射率仿真计算方法分析轴向温度均匀性对空腔发射率的影响,分析了标准黑体辐射源的不确定度来源,在8~16 μm波长亮度温度的合成标准不确定度优于0.030K。     

积分球余弦校正器误差的研究

(辐)照度测量时探测器的非余弦响应误差是影响测量精度的重要因素,通过对用积分球作为余弦校正器时所引起的非余弦特性误差进行的理论分析,给出了数学表达式,并分析了该误差随入射窗口形状改变的变化规律.实际制作了一个入射窗壁厚与窗口直径比值为1:25的积分球,测试结果验证了这种计算方法的正确性.提出以薄壁入射窗口积分球作为(辐)照度精密测量的余弦校正器,其性能优越.     

有效亮度温度测量中发射率影响的修正

经典的短波高温修正模型不适用于中长波红外温度计的发射率修正和不确定度评定。采用有效亮度温度概念,得到了对于温度范围和测温波长具有广泛适用性的发射率影响模型以及具有简明物理含义的微差近似形式,包含了经典亮度温度理论中的发射率影响修正和环境辐射误差修正。定量分析了经典的短波高温修正模型的误差。针对黑体辐射源的不同溯源方法,讨论了辐射温度计校准中的发射率影响修正方法,并给出修正实例。所用方法可用于辐射测温应用、辐射温度计校准和黑体辐射源校准中的发射率和环境影响修正以及辐射源发射率不确定度对校准结果不确定度贡献的计算。     

扫描声强法测量声功率回字形扫描路径的研究

应用扫描声强法测量声功率理论,证明了正方形测量面上回字形扫描路径收敛于真值.以单极子、偶极子和四极子声源为研究对象,建立了正方形测量面回字形扫描路径误差函数的数学模型,通过计算机仿真办法分析了测量面尺寸大小、扫描线条数等参数对扫描声强法测量声功率误差的影响.     

中温区真空标准黑体辐射源研制

介绍了中国计量科学研究院研制的中温区真空标准黑体辐射源的结构设计,工作原理,测试结果和不确定度评定。黑体辐射源工作温度范围为320～500 K,黑体空腔开口直径为50 mm,空腔深度为260 mm,表面喷涂了耐高温漆,空腔发射率优于0.999。真空环境下测试了黑体在335～500 K温度范围内的轴向温度均匀性,温度稳定性及黑体辐射源亮度温度等性能指标,结果显示黑体温度均匀性优于0.15 K,40 min内温度稳定性优于0.03 K。分析了黑体辐射源的不确定度来源,黑体辐射源的合成标准不确定度优于0.04 K。     

红外高光谱大气探测仪星载固定点黑体辐射源的研制

介绍了中国计量科学研究院为风云三号05星红外高光谱大气探测仪研制的微型镓固定点星载黑体辐射源。设计了黑体辐射源空腔,其有效发射率优于0.997。针对星载固定点黑体辐射源的结构设计和性能测试展开了研究:星载固定点黑体辐射源17 ℃的温度均匀性仿真结果优于0.01℃;黑体辐射源在真空下均匀性优于0.02 ℃,稳定性优于0.002 ℃(90 min内);在通过满足航天应用的力学冲击等实验后,镓固定点的复现性优于0.03 ℃;微型固定点相变温坪复现实验加热功率与拐点值之间存在较好的线性关系。     

溶胶-凝胶法制备ZnO:Al(ZAO)薄膜的红外发射率研究

用溶胶-凝胶法在石英玻璃基底上制备了ZnO:Al(ZAO)薄膜,研究了热处理温度和Al掺杂含量对薄膜红外发射率的影响.通过XRD和SEM分析了薄膜的微观结构和表面形貌,用光谱辐射计测量了薄膜在8～14μm波段的光谱发射率.结果表明,制备的ZAO薄膜都具有ZnO六角形纤锌矿结构,没有生成杂质相.热处理温度是影响薄膜在8～14μm波段平均红外发射率(ε)的主要因素.随热处理温度的升高和Al掺杂含量的增加,薄膜的ε值有降低的趋势.     

红外热像仪与表面热电偶测量发射率的匹配法

使用红外热像仪测量物体温度时,需要知道被测物体的发射率。为测量物体的发射率,提出红外热像仪和表面热电偶组合的匹配法。建立匹配法测量发射率的实验装置,使用该实验装置,利用恒温源对测试样品进行加热,在近环境温度范围内对两种测试样品3M Scotch Super 88型绝缘胶带和3M 1721型绝缘胶带的发射率进行测量。实验结果表明,测量值与文献值一致。该文给出两种样品在不同温度区间的具体发射率值,该发射率值可用做红外热像仪工程测温中的参考值。     

2πα、2πβ粒子发射率的绝对测量

基于大面积流气正比计数器建立了2πα、2πβ粒子发射率测量系统。对该系统进行了性能测试,结果表明其对α平面源的坪长为600~800V,最优平均坪斜为0.2%/100V;对β平面源的坪长为350~400V,最优平均坪斜为0.23%/100V;用点状~(239)Puα源测得100mm×150mm中心区域的计数均匀性为0.45%。通过对粒子发射率测量结果进行本底、死时间、甄别阈修正,实现了α、β平面源的2π粒子发射率绝对测量,其中对α源发射率测量结果的扩展不确定度优于0.9%(k=2),对β源发射率测量结果的扩展不确定度优于1.1%(k=2)。与2πα、2πβ粒子发射率基准比对测量了~(233)U、~(241)Am等9枚进口的α、β标准平面源,测量结果均在不确定度范围内一致。     

红外辐射温度计瞄准的平面辐射源模型

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。     

黑体辐射源发射率对辐射测温准确度的影响及修正方法

随着辐射温度计的广泛应用,对准确测量、校准或检定的要求越来越高.尽管黑体辐射源的性能不断提高,但黑体辐射源发射率偏离1仍然是影响辐射温度计校准/检定或相关应用准确度的关键问题.可是目前对辐射温度计的校准常常忽略黑体辐射源发射率偏离1的影响或在分析中采用不适当的计算.针对常见的辐射温度计,阐述了对黑体辐射源发射率的影响进行修正与不确定度评定的一般方法,对复杂的宽带辐射温度计提出可行的近似计算方法,并对最常见的8～14μm宽带辐射温度计给出了计算结果.分析结果表明,对于较长波长的辐射温度计,在中高温区的校准或检定中所经常使用黑体辐射源发射率值所引起的亮度温度误差是显著的,应予以修正.