一種紅外輻射源裝置的研制

李 陽

（92941部隊91分隊，遼寧葫蘆島，125000）

一種紅外輻射源裝置的研制

李 陽

（92941部隊91分隊，遼寧葫蘆島，125000）

紅外輻射源裝置是紅外輻射特性測量的一種重要設(shè)備。設(shè)計了一種簡易紅外輻射源裝置，輻射面采用了多傳感器測量和獨立PID控溫，實現(xiàn)了輻射面的高精度溫度測量與PID自動控制。實驗結(jié)果表明，該裝置運(yùn)行穩(wěn)定可靠，控溫精度高，溫度穩(wěn)定性好。

紅外；輻射特性；溫度控制

0 引言

目標(biāo)紅外輻射特性測量在軍事、工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。在外場測量時利用紅外系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)輻射特性測量，由于環(huán)境變化而帶來標(biāo)定和測量的誤差。為了有效降低定標(biāo)和測量誤差，在進(jìn)行紅外輻射特性測量時需要相對穩(wěn)定的熱源提供合適的熱輻射目標(biāo)，為此設(shè)計了一種紅外輻射源，能夠方便應(yīng)用于外場紅外輻射特性測量和評估分析方法的驗證。

1 紅外輻射源及溫控裝置

紅外輻射源由紅外輻射源和溫度控制箱兩部分組成，紅外輻射源源由紅外輻射模塊構(gòu)成，其中紅外輻射模塊包括外殼、電加熱膜、鋁箔反射膜、隔熱絕緣材料等，用于產(chǎn)生紅外輻射；溫度控制箱包括溫度采集模塊、PID溫度控制模塊、顯示和電源及其控制等部分，具備對紅外輻射模塊的溫度測量、控制和顯示。紅外輻射源及溫控裝置如圖1所示。

圖1 輻射源及溫控裝置

1.1 紅外輻射模塊的設(shè)計

以電加熱膜作為加熱元件的方式，采用“反射加隔熱”技術(shù)，實現(xiàn)模塊設(shè)計，圖2是紅外輻射模塊結(jié)構(gòu)圖。

圖2 紅外輻射模塊結(jié)構(gòu)圖

電加熱材料作為紅外模塊的核心組成部件，對紅外輻射特性的形成起到至關(guān)重要的作用。調(diào)研發(fā)現(xiàn)聚酰亞胺加熱膜和玻纖硅膠加熱片材料適合于本系統(tǒng)使用。因此，對兩種加熱材料進(jìn)行了測試。主要檢測室內(nèi)條件下不同功率加熱材料的加熱性能和溫度分布均勻情況。測試表明兩種加熱材料加熱性能良好，加熱面溫度分布均勻，均可滿足使用要求。對比分析發(fā)現(xiàn)，硅膠加熱片較聚酰亞胺加熱膜具有更加優(yōu)良的加熱性能，因此，選擇硅膠加熱片作為本裝置的電加熱材料。

在實驗室利用不同隔熱材料樣品反復(fù)做了加熱隔熱效率的檢測比較實驗，經(jīng)分析優(yōu)選確定了橡塑聚酯膜作為輻射單元的隔熱材料，該材料的耐溫范圍：－30℃～200℃。具有很好的保溫、隔熱性能。

1.2 溫度控制箱的總體結(jié)構(gòu)

總體設(shè)計結(jié)構(gòu)以單片機(jī)為控制器的測控、顯示電路，功能模塊分為溫度采集模塊、PID溫度控制模塊、顯示模塊等。具體包括3路模擬信號測量接口,用來實現(xiàn)紅外輻射模塊溫度信號采集。1路輸出接口,實現(xiàn)目標(biāo)的PID溫度控制。1路通信接口,實現(xiàn)與外接計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。

在紅外模塊內(nèi)均勻設(shè)置了4個溫度傳感器。采用工業(yè)級Pt100鉑電阻作為測溫傳感器，導(dǎo)線采用耐高溫、高強(qiáng)度的導(dǎo)線。輻射面溫度測量Pt100傳感器采用三線制，目的是消除線長的影響。三線制溫度測量原理如圖3所示。

圖3 三線制溫度測量原理圖

圖中的I1和I2采用高精度的相同的恒流源，R1、R2、R3為聯(lián)結(jié)導(dǎo)線電阻，在引線型號和長度相同的情況下，R1=R2=R3,又因為I1=I2，則：

U=V+-V-=(I1R1+I1Rt+2I1R3)-(I2R2+2I2R3)=I1Rt=Vt

從結(jié)果可以看出：這種三線制溫度變送器可以消除引線電阻帶來的測量誤差。

溫度控制箱電路板如圖4所示。

圖4 溫度控制箱電路板

2 紅外輻射源溫度控制實驗

2.1 室內(nèi)溫度控制實驗

為了檢驗紅外輻射源的控溫精度，進(jìn)行了紅外輻射源室內(nèi)溫度控制實驗。實驗時，將紅外輻射源置于室內(nèi)，手動設(shè)置溫度控制箱溫度值，通電加熱足夠長時間并通過溫度傳感器讀取紅外模塊的溫度。紅外輻射源紅外圖像如圖5所示。

圖5 紅外輻射源紅外圖像

在實驗現(xiàn)場環(huán)境溫度約19℃基礎(chǔ)上，對紅外模塊設(shè)定了多個不同溫度值，范圍為21℃～44℃，包括了環(huán)境溫度以上2℃～15℃的溫度段。為保證實驗數(shù)據(jù)可靠，每次加熱時間取足夠長，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。其中，誤差量為傳感器返回值與溫控箱設(shè)定值比較的結(jié)果。

根據(jù)實驗結(jié)果可以得出如下結(jié)論：在室內(nèi)環(huán)境中，溫控箱能夠控制紅外模塊表面溫度，控溫精度在±0.5℃之內(nèi)。

表1 室內(nèi)溫控實驗數(shù)據(jù)

2.2 室外溫度控制實驗

為進(jìn)一步檢驗溫度控制系統(tǒng)的控溫精度，2016年1月份進(jìn)行了外場實驗，實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 室外溫控實驗數(shù)據(jù)

根據(jù)實驗結(jié)果我們可以得出以下結(jié)論：

（1）在環(huán)境溫度為-15℃時，溫控系統(tǒng)能正常工作。

（2）在低溫環(huán)境下（-15℃）時，溫控箱控溫精度可維持在±0.5℃左右。

（3）在室外微風(fēng)情況下，溫控箱的控溫精度基本維持在±0.5℃左右。

3 結(jié)論

本文設(shè)計完成了一種紅外輻射源裝置，輻射面采用了多傳感器測量和獨立PID控溫，所設(shè)計的高精度多路溫度控制系統(tǒng)對輻射源起到了良好的溫度控制效果，升降溫時間不大于30min，實際測試控溫精度維持在±0.5℃，該裝置滿足了室外標(biāo)定要求。在實際目標(biāo)紅外特性測試中，既能滿足現(xiàn)場標(biāo)定需求，也能作為比對分析，提高目標(biāo)紅外特性測量的精度。

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Development of an infrared radiation source

Li Yang
（Element 91 Unit 92941 of PLA，Huludao Liaoning, 125000）

Infrared radiation source device is an important equipment for infrared radiation characteristic measurement. A simple infrared radiation source device is d esigned. Radiation surface adopts multisensor measurement and independent PID temperature control, which realizes the high precision temperature measurement and PID automatic control of radiating surface. The experimental results show that the device is stable and reliable, the temperature control precision is high, the temperature stability is good.

infrared; radiation characteristics; temperature control