-60℃～80℃面源黑体辐射特性校准系统

分析面源黑体及其辐射特性校准在红外热像仪研制、航天红外遥感及民用领域等的需求背景。提出一种基于光谱辐亮度比对的－60℃－80℃面源黑体辐射特性校准装置，并详细地分析校准数学模型。     

固体材料定向光谱发射率测量装置研究及误差分析

针对红外隐身材料光谱发射率测评的需要,提出一种基于能量法的发射率测量模型,并建立起固体材料定向光谱发射率测量装置,能实现温度范围50℃～300℃与光谱范围1.3μm～14.5μm的固体材料定向光谱发射率测量。通过对试样进行实测,得到不同样品在150℃和同一样品在不同温度下的光谱发射率曲线,得出该材料发射率随温度变化的结论。最后分析了样品同黑体温度不等引起的误差,给出温差为1℃和2℃时,发射率相对误差随温度与波长的分布曲线,以及不同黑体温度下3μm～5μm和8μm～14μm的平均相对误差值。     

高温黑体性能评定和温度测量

中国计量科学研究院引进了高温黑体BB3500M作为新的光谱辐射照度基准光源。黑体BB3500M包括辐射腔体和温度反馈系统。辐射腔体由一系列高温热解石墨环组成,可以加热至3 500 K。在光谱辐照度测量中,高温黑体的性能参数和温度测量至关重要。对于黑体的性能参数,着重考察了黑体温度的稳定性和腔底温度的均匀性。在将高温黑体的光谱辐射照度传递给工作标准灯时,黑体的温度可能发生改变。实验观测了一小时内黑体的温度漂移情况。当高温黑体加热至3 016 K时,采用温度反馈系统的BB3500M稳定在0.3 K。实验光路中设置了限制光栏,用于屏蔽来自黑体腔壁的辐射。黑体腔底辐射环的温度均匀性优于0.2 K。在温度测量中,2 473 K以下的温度可以直接溯源到中国计量科学研究院热工处,对于更高温度的测量需要进行温度延伸。文中从普朗克公式出发,通过多波长亮度比较法进行了温度延伸。实验先在低温区进行延伸证实了方法的可能性,然后进行了高温区的温度延伸。     

基于模糊PID参数自整定的细胞培养箱温度控制算法

针对细胞培养箱温度控制具有非线性、时滞性、易受干扰且难以建立精确的数学模型的特点,传统的PID控制方法对于快速维持系统箱内温度稳定存在一定的局限性。提出了以温度误差和误差变化率为控制输入,培养箱内温度为控制量的模糊PID参数自整定的温度控制算法,实现了对PID参数的实时在线修正。实验表明,该模糊PID参数自整定温度控制算法,温度从26℃上升到目标温度37℃,建立稳态的时间为2890s,温度超调极小。系统温度控制精度为±0.05℃,并在相同型号的细胞培养箱上同样得到验证。在控制稳定性方面获得了比传统PID控制更好的控温效果,稳定快,极小超调,温度控制精度高,能满足细胞培养箱温度控制的要求。     

一种恒温箱温度控制系统的设计与实现

设计了一种以单片机STC89C52为核心的恒温箱温度控制系统,通过简单的人机交互界面,用户可以自由输入所需要的恒温箱的温度范围;重点阐述了系统的硬件构成、各部分的主要作用及系统软件的设计过程,通过DS18B20数字温度传感器可以准确地测量当前的实时温度,并将采集的温度值送给单片机进行处理;系统的测温范围设定在22～80 ℃,性能测试结果表明:该系统可以实现测温精度优于±0.05 ℃的控制要求,具有±0.01 ℃的分辨率,并且可以实现多点测温,具有很强的抗干扰性;实际应用表明, 该系统具有结构简单、控制精度高、可靠性好、性能稳定及通用性强等优点, 具有广泛的应用前景。     

超高温FTIR光谱发射率测量系统的线性度分析

为研究航天领域特种材料高温区域的光谱辐射特性,建立了基于傅里叶光谱仪的超高温光谱发射率测量系统。系统线性度是发射率测量精度的保证,通过测量多温度点黑体辐射的光谱信号,采用多温度点线性拟合方法求得每个光谱点的光谱信号值与黑体光谱辐射亮度的函数关系式,并结合仪器线性度测量理论,建立了光谱发射率测量系统的线性度测量方法。实验测量了黑体温度范围1 000～2 000℃和光谱范围3～20μm的光谱辐射信号,求得波长λ=4μm的理论直线与测量光谱值的线性关系。实验表明,仪器在4～18μm光谱范围响应较好,除CO2强吸收光谱区域,仪器的光谱线性度均优于1%。当测量系统线性度一定时,温度越高,光谱误差对发射率的影响越小。评定光谱发射率测量系统的线性度有利于剔除个别温度点光谱扰动带来的误差。     

激光系统中半导体激光器温度稳定系统研究与设计

激光器系统中半导体激光器的功率输出稳定度和工作温度有很大的关系,为了使大功率半导体激光器输出功率稳定,需要对激光器实现高精度、快速温度控制。针对现有的激光系统中激光器温度控制系统存在控制精度不够高、控制速度慢等问题,设计了一种温度稳定系统,采用PT-100热电偶测量激光器温度,并使用最小二乘法对温度数据进行拟合,使得温度测量精度达到0.01 ℃;使用改进粒子群算法优化(PSO)的PID控制器实现温度控制。仿真实验和实际测试表明,所设计的温度稳定系统能够很好地控制激光器温度,达到目标温度所需的调节时间小于11 s,达到稳态后温度波动在±0.02 ℃内。与传统的温度控制方式相比,所设计的系统能够实现参数自整定并自动调节温度,对大功率激光系统中激光器温度具有良好稳定效果。     

基于形变测试的分体式恒温试验箱的设计

为双金属片形变测试系统提供可靠的测量环境,设计了基于Labview和PLC的恒温试验箱。该试验箱采用分体式结构来减少振动对测试的影响,其控制系统基于模糊PID控温技术、变频调风速技术以改善测试区温度过冲现象,降低温度的波动性,提高温度均匀性。实验表明:该试验箱操作简单、稳定可靠,在稳定阶段其温度波动性≤±0.1℃,温度均匀性≤±0.5℃,且升降温速度、测试区振动等各项指标均满足形变测试系统的工作要求。     

用于气体检测的近红外半导体激光器温控系统

为了降低软件设计复杂度并提高分布反馈激光器发光波长的控制准确度及稳定性,设计了一种用于气体检测的半导体激光器温度控制系统,它由数字信号处理器、温度设定电路、温度采集电路、模拟比例-积分-微分电路、半导体制冷器控制电路等模块构成.利用该系统对用于水汽检测、中心波长为1 860nm的可调谐分布反馈激光器做了驱动实验,结果表明:该系统的有效控温范围为10℃~50℃,控温准确度为±0.05℃,温度稳定时间小于60s;改变温控系统的驱动电流和设定温度,测得的激光器工作波长呈现出良好的调谐特性;连续4天测得的4条光谱曲线几乎重合,表明该系统具有良好的稳定性.     

滤光辐射计测量黑体的温度

介绍了黑体温度测量的溯源途径及方法，分析了探测器绝对光谱响应、透镜透过率及面积效应等对黑体温度测量的影响，试验测量结果表明黑体温度可以通过标准探测器进行量值传递并溯源。与传统溯源方法相比，利用标准探测器进行量值传递测量精度可提升一个数量级，达到0.8%的水平。     

中温黑体全辐照度装置

本文介绍了新近研制的中温黑体全辐照度装置的结构、工作原理和实验方法。中温标准黑体的温度范围为+50℃～100℃,有效发射率为0.999。该装置给定的标准辐照度的总不确定度是0.54％。     

强激光毁伤过程的热辐射谱测量

以热辐射谱的温度反演为例,介绍了光谱技术在强激光毁伤过程中的应用。利用自制的高速光谱测量系统,实时采集了毁伤过程中的辐射光谱,基于普朗克黑体辐射原理,反演了毁伤区的温度,并应用主成分回归算法,计算得到了毁伤区的温度分布,实现了强激光辐照靶材过程中瞬态温度和温度分布的测量。光谱测量区在200～1 000 nm时,所对应的温度反演为700～6 000℃。     

高精度非致冷长波红外热像仪的辐射标定

为使非致冷长波红外热像仪在不同温度下保持较高的测温精度,建立了考虑探测器工作温度效应的非致冷长波红外热像仪的辐射标定模型。对非致冷长波红外热像仪进行辐射标定实验,在不同黑体温度和不同亮度增益值条件下,获得了16组图像灰度与探测器工作温度之间的函数关系,建立了目标温度的数学计算模型,并对定标结果进行了实验验证。结果表明：在25～40℃,探测器的工作温度效应可做线性化处理,且与目标温度无关。通过设定合适的亮度增益值可使红外热像仪的测温误差〈0.5℃,极大地提高了非致冷长波红外热像仪在不同温度环境下的测温精度。     

球形端面光纤与黑体光源耦合效率分析

为提高黑体光源的入纤强度,采用球形端面光纤为接收光纤,建立球形端面光纤与黑体辐射腔光能耦合模型,分析球形端面光纤参数、黑体腔参数等对光能耦合效率的影响.搭建黑体腔与球形端面光纤的光能耦合实验系统,在800～1 000℃条件下开展了光能耦合实验,结果表明:随着球形端头直径的增加,耦合光能先增大后减小;当曲率半径约为85μm时,光能耦合强度最高.相对于平端面光纤而言,耦合效率提高约60%.     

基于黑体辐射感温薄膜的瞬态高温传感器的设计

针对瞬态高温的测量难题,采用辐射式测温技术和接触式测温技术有机结合的方法,设计了由黑体辐射温度敏感体、圆柱状高强度金属外壳以及壳内信号调理电路构成的瞬态高温测量装置。通过对感温薄膜特殊材料的恰当选取以及整体结构的合理设计,并利用ANSYS软件对其黑体感温薄膜进行了瞬态高温热传导分析。分析表明,施加的温度载荷为2 000 ℃、2 500 ℃、3 000 ℃时,此温度传感器响应时间分别为487.001 s、545.001 s、590.001 s,能够克服传统瞬态温度传感器体积大、响应慢、安装不方便以及易受恶劣环境因素影响等不足,在测温技术领域具有良好的应用价值。     

红外双色复合仿真系统测温技术研究

为了模拟红外制导时目标和干扰的等效辐射环境,并比较单色测温和比色测温两种方法在复杂环境下目标测温效果的差异,利用红外双色复合仿真系统对空间6 km处目标和干扰弹进行了实物模拟.通过准确标定的热像仪,采用单色和比色测温两种方法对不同温度的目标和干扰进行测试.利用经标定的中波热像仪和长波热像仪对黑体测温,黑体温度为(20~60)℃时,长波热像仪的绝对误差限为0.5 ℃;黑体温度为(50~120) ℃时,中波热像仪的绝对误差限为0.2 ℃.当目标温度为500 ℃、干扰温度为1 000 ℃时,用长波红外、中波红外、比色方法测得的目标温度分别为28.5 ℃、148.3 ℃、322.4 ℃,干扰温度分别为56.7 ℃、223.2 ℃、660.1 ℃.实验结果表明,在复杂环境下采用比色测温方法更能真实反映目标的温度特性.     

FY-4B GHI长波红外波段的发射前辐射表征和定标

静止轨道快速成像仪（GHI）是风云四号B星（FY-4B）的主要有效载荷之一。针对该仪器长波红外波段的大视场、高空间分辨率等特点,提出了相应的发射前辐射定标和表征方法。建立了一套定标系统装置,实现了长波红外波段的发射前辐射定标,定标不确定度优于0.67 K@300 K。测量并研究了长波红外波段的空间噪声特性。根据长波红外焦平面4个线阵的设计特点,提出了两种最佳成像探元选择方法,即基于信噪比最大化和响应信号固定图形噪声最小化的方法。测量并分析了这两种最佳成像探元组合线阵的温度探测灵敏度,均优于任务要求,平均水平达到了50～60 mK@300 K。评估了星上黑体参考标准的精度,星上黑体标称亮温比真实亮温偏低约0.42 K@300 K,该结果对黑体的在轨应用具有重要参考意义。     

低温辐射计黑体腔吸收率分析

低温辐射计是目前国际上光辐射功率计量中准确度最高的测量系统,其光辐射测量不确定度可达10-5量级,目前国内仅有少数研究机构从国外引进低温辐射计开展计量研究,亟待发展国产低温辐射计替代进口产品。由于低温辐射计采用低温超导状态下的电替代测量原理进行光辐射功率测量,发展低温辐射计的难点之一在于研制黑体吸收腔这一核心光辐射接收器件,并要求黑体腔在各波长下的吸收率都要达到0.999 9以上。为研制超高光谱吸收率的黑体吸收腔,系统性分析了各影响黑体腔光谱吸收率因素,在此基础上利用蒙特卡罗光线追迹方法重点研究了光谱波长、腔体长度、黑材料漫反射系数、黑材料吸收率和入射光空间位置等对斜底黑体腔光谱吸收率的影响。研究结果表明：在300～1 100 nm波长范围内黑体腔吸收率与其内壁涂黑材料的吸收率呈正相关,且在300～1 000 nm范围内的吸收率都达到了0.999 9以上,其中在700 nm处的吸收率取得最大值0.999 941 5,表明采用该类型黑材料的黑体腔只在300～1 000 nm范围内满足低温辐射计设计要求,后续需要根据仿真和测试结果对低温辐射计在不同波长下的光电不等效性进行修正;在黑体腔结构和口径确定的情况下,黑体腔吸收率将随腔长增加而逐渐升高,在40 mm后变化趋缓,并在65 mm后逐渐趋于平衡,考虑到低温辐射计低温舱对腔体尺寸的限制,认为腔体长度与口径之比为6.5时较为合适;黑体腔吸收率还受黑材料的漫反射系数影响,随着黑材料漫反射系数的提高,腔体吸收率呈现近似线性下降,所以在选择黑体腔涂黑材料时,在吸收率等指标相同的情况下应尽量选择镜面吸收黑;黑材料吸收率从0.8到1的变化过程中,腔体吸收率提升了0.05个百分点,且黑材料吸收率为0.92时腔体吸收率可达到0.999 9以上,表明黑材料在其有效工作波长范围内任一点的光谱吸收率都要大于0.92;腔体吸收率还受入射光投射的空间位置影响,光线位置越靠近斜底腔顶点处,腔体吸收率越高,但整体吸收率变化不明显,光线位置对腔体吸收率影响只有不到0.004个百分点,几乎可以忽略,认为斜底腔不同位置处的吸收率是均匀的。研究结果对低温辐射计黑体腔研制有一定参考价值。     

带通红外比色滤波测温技术研究

提出可精确测量中低温物体温度的带通比色滤波测温理论,利用该理论,搭建了相应的实验装置。对装置所用的器件进行精确标定,并利用数值函数对测试得到的离散点数据拟合后,用面源黑体在５０℃～４００℃范围对该实验装置进行了测温实验验证,实验结果表明,该实验装置在不需知道目标发射率的情况下,能精确测量物体的真实温度,因此,验证了提出理论的正确性与所建立测温系统的可行性,对中低温物体真实温度的测量研究具有重要意义。     

用于定标海表测温辐射计的镓黑体辐射源

设计了镓黑体对海表测温辐射计进行定标。首先,介绍了该黑体的结构与工作原理,对黑体发射率进行仿真,并开展发射率的测量实验,讨论其不确定度的来源。然后,开展了电加热和水浴加热下镓的相变复现实验,讨论电加热功率对镓相变复现的影响。最后,通过红外海面温度自主辐射计实验对该黑体进行验证。结果表明：该黑体基于蒙特卡罗软件仿真的发射率优于0.998 8,实验测得的黑体辐射源发射率结果与仿真结果较为吻合,测量重复性（标准偏差）达0.1%;相变温度坪台的复现性均优于±0.03 K;相变温坪附近时,红外海面温度自主辐射计和FLUKE 1524测温仪测得的黑体腔附近温度的数据差值均在±0.15 K以内。设计的镓黑体可以应用到海表测温辐射计进行校准,为发展自主知识产权的海表测温设备提供校准源。