基于Fuzzy-PID复合温度控制系统的铟点黑体辐射源的研制

　　1　引　言

　　全辐照基准辐射源是辐射学的基础,作为量值传递的国家基准,它已广泛用于有关方面的量值溯源与传递,如红外探测器及辐射源的定标等[1]。在国 际上,先进国家采用金属凝固点黑体组作为基准,其测试装置、设备和条件远远优于国内,其量值传递和对红外器件的评价的不确定度均达到0. 05% ~0. 1%的水平[2, 3]。

　　近几十年,辐射计量水平从10-2提高到10-5数量级,使得辐射计量学又成为光度计量学和辐射温标的基础。所以,全辐照基准技术水平的高低, 涉及到计量学中两个基本量单位(坎德拉cd和开尔文K)的水平。全辐照基准装置的完善和现代化,将推动光度学和辐射温标的提高。

　　随着在空间探测技术领域的研究的深入,高空目标成像跟踪和工业在线测温的兴起,全辐照基准辐射源对于国家量值的维持、传递系统的溯源有着不可替代的作用;同时,全辐照基准辐射源对于国际贸易交往中的质量和计量相互认定方面,有着积极的作用。

　　2　全辐照基准装置

　　2.1　量值复现的原理

　　由黑体所产生的辐射出射度M[4]为:

　　式中:Ω为源对探测器所张的立体角。由式(3)知,在测得黑体温度T和背景温度T0、有效光阑与被测面之间的距离d和黑体有效光阑的孔径r后, 即可求得辐照度E。由此看出,照度法的测量不确定度除受温度的影响外,d和r也将产生影响。用辐亮度法可克服几何因子F的影响。由式

　　(1),黑体源的辐亮度L可用下式表示:

　　2.2　基准黑体辐射源的组成

　　基准黑体辐射源由一组自行研制的金属凝固点黑体组成,共有4台,如表1所示。

　　2.3　全辐照基准量值复现

　　全辐照基准量值复现装置如图1所示。图中:1、8为工程水准仪; 2为十字分划板; 3为探测器; 4为通水开关; 5为水冷挡屏光阑; 6为标准黑体; 7为被检黑体; 9为辐射屏蔽室。

　　3　黑体辐射源的实验数据

　　3.1　金属凝固点黑体

　　金属凝固点黑体具有恒定的熔融、凝固点温度。在全辐照基准中,以金属凝固点作为基准辐射源,其优点是准确性高、重复性好、温场均匀、稳定性可靠。

　　3. 1. 1　金属凝固点黑体的温坪特性

　　锡凝固点黑体的温坪特性如图2所示。首先使炉温升至锡熔融点以下约30℃处,并在此温度点进行一段时间的恒温控制,待整个炉腔温场均匀平衡后, 再将炉温设定在高于锡熔点约20℃处,并在此点进行恒温控制,等待炉腔温场的均匀平衡。在炉温向高于锡熔点约20℃的升温过程中,必然经过锡熔点,使金属 锡完全熔融,这是一个吸热过程,由于熔解热的原因,在此处产生了第一个温坪。但由于控温点高于锡熔点约20℃,使得炉温继续上升,最终达到稳定平衡状态。 而后以每分钟0. 2℃的降温速率降至锡过冷点处,此时,由于锡凝固时的热量释放,温度会自然快速回升至锡凝固点,开始一个放热过程,形成第二个温坪。此时将炉温设置在低于 锡凝固点约2℃处(这一温度点称为保持温度,该温度点与锡凝固点温度的温差大小决定凝固时间的长短。温差大,凝固时间短,温坪时间短;温差小,凝固时间 长,温坪时间长)。当锡放热完毕,此时熔融的锡全部凝固,炉温亦将迅速下降至维持温度处。至此,这一升控温过程就全部结束。对于铟、锌[5]、铝凝固点黑 体的各个升控温过程与凝固点数据如表2所示。