參考黑體輻射源校準方法和不確定度評定

張嵐，蔡靜，孟蘇

（航空工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095）

0 引言

JJG 856-2015《工作用輻射溫度計》中規定，具有檢定所需亮度溫度校準結果的黑體輻射源被稱為參考黑體輻射源。隨著紅外測溫技術的發展，紅外溫度計/熱像儀的使用越來越廣泛，采用參考黑體輻射源對其進行檢定/校準是最常用有效的方法［1］。依據JJF 1552-2015《輻射測溫用-10℃～200℃黑體輻射源校準規范》和JJG（軍工）162-2019《-50℃～1000℃輻射測溫用參考黑體輻射源檢定規程》，采用多波長有效亮度溫度整體溯源的方式對參考黑體輻射源進行校準時，一般采用比較法［2-3］。本文以某所已有的標準黑體輻射源為例，將對參考黑體輻射源的校準方法和不確定度評定進行介紹。

1 校準方法

采用多波長有效亮度溫度整體溯源的方式對參考黑體輻射源進行校準，校準方法為將標準黑體輻射源和被校參考黑體輻射源分別設置在校準溫度點，使用傳遞用輻射溫度計分別測量標準黑體輻射源和被校參考黑體輻射源的亮度溫度，即可計算得到被校參考黑體輻射源的亮度溫度，校準原理如圖1所示［2］。

圖1 參考黑體輻射源校準原理圖

亮度溫度測量模型公式為

式中：tc為被校參考黑體輻射源的亮度溫度值，℃；ts為標準黑體輻射源參考溫度計示值平均值，℃；tcr為傳遞用輻射溫度計測量被校參考黑體輻射源的亮度溫度示值平均值，℃；tsr為傳遞用輻射溫度計測量標準黑體輻射源的亮度溫度示值平均值，℃；tci為被校參考黑體輻射源控溫儀表（或測溫溫度計）示值的平均值，℃；tcn為檢定點，℃。

2 黑體輻射源標準裝置介紹

已有-50～1000℃黑體輻射源標準裝置主要由酒精槽浴式標準黑體輻射源（簡稱酒精槽黑體）、水槽浴式標準黑體輻射源（簡稱水槽黑體）、水熱管標準黑體輻射源（簡稱水熱管黑體）、萘熱管標準黑體輻射源（簡稱萘熱管黑體）、鉀鈉合金熱管標準黑體輻射源（簡稱鉀鈉熱管黑體）、鈉熱管標準黑體輻射源（簡稱鈉熱管黑體）及傳遞用輻射溫度計等配套設備組成。

熱管或者恒溫槽的結構設計可實現良好的溫場均勻性，結合適合的長徑比，噴涂高發射率的材料涂層，獲得高且穩定的有效發射率，滿足輻射溫度量傳體系的要求。將其作為標準裝置，結合多波長的高穩定性傳遞用輻射溫度計，采用比較法，可實現多波長有效亮度溫度溯源［4-5］。目前已經擁有的傳遞用輻射溫度計有TRT2（3.9μm），TRT4.82（8～14μm），KT19.42（4.9～5.5μm）以及 KT19.01（2～2.7μm）。

圖2 標準黑體輻射源外形圖

浴式黑體輻射源主要是將一端密閉的管狀黑體腔整體伸入工作區內，使工作區的工作介質加熱黑體腔，如圖3所示，從而可以在黑體腔的壁面和靶面獲得均勻的溫度分布。工作區采用鉑電阻溫度計測溫與PID調節技術相結合的方式，實現較高的溫度穩定性和控溫準確度，根據工作區域的工作介質不同，可分為酒精槽黑體與水槽黑體［6］。

圖3 浴式黑體輻射源工作區域示意圖

熱管式黑體輻射源的主要工作原理為：熱管內部被抽成真空狀態，充入適當的介質（沸點低、易揮發），管壁有吸液芯，當熱管一端受熱時，毛細管中的液體迅速蒸發，蒸氣在微小的壓力差下流向另一端，釋放能量后重新凝結成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流向蒸發段。熱管內部介質以此方式重復循環，使得熱管具有較好的溫度均勻性。熱管依靠內部介質相變傳遞熱量，熱阻小、導熱系數高，均溫性好，獲得均勻的溫場，然后將特定尺寸的黑體腔插入熱管內部便可得到較好的均勻溫場，根據熱管內部介質的不同可以分為水熱管黑體、萘熱管黑體、鉀鈉熱管黑體與鈉熱管黑體，熱管結構及工作流程如圖4所示。

圖4 熱管結構及工作流程

影響標準黑體輻射源性能的關鍵指標是有效發射率，根據黑體輻射源空腔的形狀、軸向溫度分布、黑體空腔表面材料光譜發射率的實測值，并依據Montecarlo法進行有效發射率的計算［7-8］。采用標準熱電偶溫度傳感器對黑體腔軸向溫度場進行測試，測試步驟為：在標準黑體輻射源標準孔和黑體腔內分別放入標準S型熱電偶，待溫度穩定之后，記錄兩根標準偶的溫度，按照20 mm的距離向外移動標準偶，溫度穩定后，記錄兩根標準偶的溫度，計算得出軸向溫度場的溫差。測試結果如圖5所示。

標準黑體輻射源黑體腔采用圓柱-圓錐形結構，黑體腔表面噴涂高發射率涂層，依據上述軸向溫度場測試數據，代入Steep321軟件計算8～14μm下黑體腔的有效發射率，標準黑體輻射源的具體性能參數如表1所示。

表1 標準黑體輻射源具體性能參數

圖5 熱管黑體軸向溫度場測試結果

3 參考黑體輻射源校準不確定度分量分析［2］

參考黑體輻射源亮度溫度的不確定度主要來源有：標準黑體輻射源的亮度溫度（ts+Δts）引入的不確定度，傳遞用輻射溫度計測量溫差（tcr-tsr）引入的不確定度及被校參考黑體輻射源引入的不確定度。

被校參考黑體輻射源HW112，溫度范圍為300～1200℃，口徑為40 mm，腔長為300 mm；標準黑體輻射源使用的鈉熱管黑體，口徑為50 mm，以一等標準S型熱電偶作為標準器，插入標準黑體后面預留標準孔內，以800℃為例對其校準進行不確定度評定。

3.1 參考溫度計測量標準黑體輻射源亮度溫度引入的不確定度u1

1）參考溫度計傳遞引入的不確定度u11

溫度為800℃時，一等標準S型熱電偶擴展不確定度為0.5℃，包含因子k為2時，則

2）參考溫度計配套電測儀表準確度引入的不確定度u12

溫度為800℃時，使用數字電壓表2700測量電壓值，最大允許誤差為±（30×10-6×測量值+30×10-6×200）mV，轉化為溫度值為±0.54℃，服從均勻分布，包含因子時，則

3）參考溫度計溫度與空腔底參考點溫度的溫差引入的不確定度u13

標準鉑電阻溫度計插入標準黑體輻射源的后面測溫孔內，與空腔底參考點的溫差估計在±0.3℃以內，服從均勻分布，包含因子時，則

3.2 標準黑體輻射源有效發射率引入的不確定度u2

標準黑體輻射源采用鈉熱管黑體，有效發射率為0.9996。發射率引入的溫度修正量可根據標準黑體輻射源的參考溫度計溫度、波長、光闌溫度20℃、有效發射率進行計算。由于標準黑體輻射源的有效發射率很高，測量時認為標準熱電偶測得的溫度即為亮度溫度，不考慮其引入的修正值，而在不確定度評定時需要考慮其引入的不確定度。

表2 溫度修正量

表2給出了溫度為800℃時，使用不同波段的輻射溫度計，標準黑體輻射源發射率ε為0.9996時引入的溫度修正量的絕對值。由表2可知，溫度為800℃時，引入的不確定度為

3.3 標準黑體輻射源和被校參考黑體輻射源的亮度溫度差引入的不確定度u3

1）傳遞用輻射溫度計的測量分辨力引入的不確定度u31

TRT 4的分辨力為0.1℃，服從均勻分布，區間半寬度為0.05℃，包含因子標準不確定度為0.029℃，由于分別測量標準黑體輻射源和被校參考，因此計算兩次，則u31=0.04℃。

2）傳遞用輻射溫度計的穩定性引入的不確定度u32

采用比較測量的方式，利用統計方法消除漂移的影響，可忽略不計。對于現場校準的參考黑體輻射源，無法實現實時測量標準黑體輻射源和被校參考黑體輻射源，因此需考慮傳遞用輻射溫度計的短期穩定性，以3個月為例，溫度為800℃時，3個月的穩定性約為0.7℃，服從均勻分布，則u32=0.4℃。

3）傳遞用輻射溫度計SSE引入的不確定度

使用兩個相同的光闌，使輻射溫度計測量標準黑體輻射源和被校參考黑體輻射源時的SSE相同，可忽略此項不確定度。

4）環境溫度對傳遞用輻射溫度計影響引入的不確定度

參考黑體輻射源一般都是在實驗室情況下進行校準，環境溫度變化對輻射溫度計的影響，可忽略不計。

3.4 被校參考黑體輻射源引入的不確定度u4

1）被校參考黑體輻射源分辨力引入的不確定度u41

被校參考黑體輻射源控溫儀表分辨力為0.1℃，服從均勻分布，區間半寬度為0.05℃，包含因子k=u41=0.03℃。

2）被校參考黑體輻射源短期重復性引入的不確定度u42

采用A類評定方法重復測量10次，測量數據為：800.9，800.8，800.9，800.8，800.9，800.9，800.9，801.0，801.0，800.9℃。計算其實驗標準偏差為

由于測量結果為兩次測量的平均值，因此重復性引入的不確定度分量為

3）被校參考黑體輻射源亮度溫度均勻度引入的不確定度u43

按照實際測量值，溫度為800℃時，亮度溫度均勻度為1.0℃，服從均勻分布，包含因子則

4）被校參考黑體輻射源亮度溫度波動度引入的不確定度u44

按照實際測量值，溫度為800℃時，亮度溫度波動度為0.5℃，服從均勻分布，區間半寬度為0.25℃，包含因子則

上述各不確定度互不相關，測溫重復性與分辨力引入的不確定度只考慮其中較大者，因此這里考慮測溫重復性引入的不確定度。對于實驗室校準的參考黑體輻射源不需要考慮傳遞用輻射溫度計短期穩定性造成的影響，其合成標準不確定度為

擴展不確定度為

對于現場校準的參考黑體輻射源，無法實現實時測量標準和被校，則需要考慮傳遞用輻射溫度計的短期穩定性，其合成標準不確定度為

擴展不確定度為

4 結論

以黑體輻射源標準裝置為例，介紹了多波長有效亮度溫度整體溯源的校準方法，并對該方法的校準原理、校準裝置及相關性能進行了分析。以800℃為例，對采用比較法進行參考黑體輻射源實驗室校準和現場校準的不確定度評定進行了全面介紹，同時分析了校準過程中可能對測量結果造成影響的因素，現場校準需要注意考慮傳遞用輻射溫度計的穩定性引入的影響。

依據本文介紹的評定方法，可得出任意溫度點的校準不確定度，為今后使用比較法開展黑體輻射源校準工作提供了依據。同時，采用比較法對參考黑體輻射源進行定期校準，完善了輻射溫度量傳體系，提高了以參考黑體輻射源為標準裝置的工作用輻射溫度計，紅外熱像儀校準的準確性。