标定红外热像仪的一种新型黑体辐射源

　　1　引　　言

　　随着红外探测器技术的飞速发展,红外摄像系统具备了廉价、小型化、高可靠性和便携的特点,这使得红处热像技术由军用市场逐步转向民用市场,其中红外热像仪已成为众多领域中进行温度场测量的必不可少的工具[1]。为提高测温的精度,同其他任何仪器仪表一样,红外热像仪也需要进行校准和标定。

　　黑体辐射源——也称黑体炉是校准辐射计、高温计和红外测温装置的必备装置,随着科学技术的不断进步和红外测温技术的逐渐普及,有关黑体源的设计和研究也在不断的发展[2 4]。

　　下文将对作者使用红外热像仪的过程中自行研制的黑体辐射源作进一步介绍。

　　2　黑体辐射源的结构

　　黑体辐射源如图1所示,将镍铬不锈钢或铜材料制成的半空心球体4内部涂辐射率为0.95的无光泽黑漆或用蜡烛烟熏黑后,再焊接成为一个整体,顶部开孔,加配重后放置于恒温液体浴中。液体可以是水也可是硅油,由电加热器加热,并由高精度温度控制器控制温度。黑体腔的均匀温度是由恒温液体来实现的,为保证液体浴温度分布均匀,用一电机带动泵搅动液体,由于该黑体辐射源体积小,所以升温较快。当盛装的液体为水时,黑体炉的工作温度为25～85℃;当盛装硅油时,工作温度为25～300℃。若想对红外热像仪进行低温校准,可以将上述黑体的电加热和温度控制部分换为制冷器和其温度控制器,液体为熔点较低的酒精即可,工作温度范围由制冷器的制冷能力决定,制作的低温黑体炉最低工作温度为-20℃。

　　3　黑体辐射源的发射率

　　理想黑体的辐射率为1,是指黑体腔不透射和反射任何波段的电磁波,但实际上很难做到。为了提高实际黑体的辐射率,可以将黑体腔内壁涂黑,并尽量减小开孔与黑体腔的直径比[5]。文中介绍的黑体炉内部采用烟熏的方法涂黑,开孔直径与球腔直径之比为0.13,由于红外热像仪在使用和标定时,辐射率的确定只需两位数字,因而采用Coffee公式来估算黑体辐射源的有效比辐射率[6],如式(1)所示:

　　经计算,该黑体辐射源的有效比辐射率在0.998以上。

4　黑体辐射源性能的实验研究

　　4.1　壁面温度分布均匀性

　　为测试壁面温度分布的均匀性,采用在壁面上粘贴热电偶的方法来进行温度测量。热电偶是在两个半球焊接形成黑体腔之前粘贴的,位置如图2所示。图3为水浴温度为50℃、酒精浴温度为-10℃和油浴温度为150℃时的测试结果。由壁面温差分布的测试结果可知,水浴温度在50℃和酒精浴温度在-10℃时,壁面最大温差低于0.2℃,油浴温度为150℃时壁面最大温差低于0.3℃,因此黑体腔壁面温度分布均匀。由图3可以看出,总的温度分布趋势是黑体腔壁面上部的温度高于下部的温度,使用油浴时,壁面温差比用水浴和酒精浴时稍大。通过采用国家红外检测中心检验合格的温度分辨率为0.07℃(在30℃时)的HY-2001G型红外热像仪测试拍摄的红外热图及温度分布曲线如图4所示,拍摄的黑体腔形状为方形是由于挡板的开孔为方孔而形成的,这样便于温度分析时进行定位。由图(b)和(c)可以看出,AC线和BD线上的像素点的温度分布是均匀的。