紅外額溫計的高精度黑體輻射源的設計與試驗

朱經國,楊峻濤,張軍,孫斌,劉賢喜,張開興

紅外額溫計的高精度黑體輻射源的設計與試驗

朱經國1,楊峻濤1,張軍2,孫斌3,劉賢喜3,張開興3*

1. 甘肅省計量研究院, 甘肅 蘭州 730070 2. 泰安磐然測控科技有限公司, 山東 泰安 271000 3. 山東農業大學機械與電子工程學院, 山東 泰安 271018

針對我國紅外額溫計校準設備在疫情環境下難以滿足當前校準精度要求的問題，本文設計并研制了一種應用于紅外額溫計校準的高精度黑體輻射源。首先，對黑體輻射源的原理和整體結構進行闡述，確定了黑體輻射腔等關鍵部件的設計參數；其次，對黑體輻射腔的溫度均勻性進行了靜態熱仿真，并通過公式完成了黑體空腔發射率的近似計算，驗證了結構的可行性；最后，對黑體空腔和配套恒溫槽進行了性能測試試驗，得到該設備溫度均勻性為0.01 ℃，穩定性≤0.01 ℃/10 min，黑體腔發射率≥0.997，滿足JJF1107《測量人體溫度的紅外溫度計校準規范》要求。

額溫計; 黑體輻射腔; 仿真分析; 樣機試驗

紅外額溫計在使用時，存在測量值與標準值有所偏離的情況，為了滿足使用要求，必須定期對紅外額溫計進行校準。黑體輻射源是校準紅外額溫計的關鍵設備，其輻射特性接近理想黑體（即可以輻射出自身溫度下的標準波長輻射），黑體輻射源可使紅外額溫計的量值得以精確標定。黑體輻射源的性能影響了紅外額溫計校準的準確性和可靠性[1,2]，因此，對黑體輻射源的研究顯得尤為重要。

近幾年，國內外研究學者和機構對黑體輻射源進行了大量的研究。Parmar N等[3]使用CST Microwave Studio對高溫黑體輻射面板的各項參數進行了設計，計算了發射值并對發射器和加熱器進行設計和優化；Bae JY等[4]設計了便攜式面黑體輻射源系統，使用基于碳纖維熱源來實現溫度均勻分布，由絕緣材料嵌入在加熱元件的另一側，以減少熱量損失；趙億坤等[5]在黑體輻射腔內壁設計V型槽改變黑體輻射源有效發射率，證明了帶V型槽的黑體輻射腔可有效提升發射率；劉培等[6]在輻射腔表面增加擾流結構，此設計縮短了達到熱平衡時間，但被動擾流結構的增加對黑體輻射腔原本結構造成了破壞，進而影響溫度均勻性。

疫情防控工作中紅外額溫計的使用量往往較多，現存多數黑體輻射源設備的溫場穩定性較差，難以滿足當前紅外額溫計的校準需求，且沒有配套恒溫槽。針對上述情況，本文設計并研制了紅外額溫計校準用黑體輻射源，以滿足校準工作對發射率、溫場穩定性和溫場均勻性的要求，并通過試驗驗證其性能。

1 黑體輻射源原理及整機結構設計

1.1 黑體輻射源工作原理

已知自然界中一切物體都在以電磁波形式向外投射能量，這種能量稱為輻射能。同種物質特性下，輻射能只跟溫度有關，因而被稱為熱輻射[7,8]。為了研究不依賴物質特性的熱輻射規律，定義了理想黑體，即熱輻射到達該物體表面后不會發生反射和透射，且將任何波長輻射全部吸收的物體。

人工黑體的結構大多為開有小孔的不透明空腔（透射為0），其內表面涂有高吸收率涂層，每當熱輻射透過小孔進入空腔后，會在不斷反射中被高吸收率涂層盡數“消化”，因此可以認為小孔為近似黑體，通過小孔發出的輻射近似為黑體輻射[7-9]，該空腔稱為黑體輻射腔。黑體輻射源工作原理如圖1所示，黑體輻射源是利用恒溫槽為黑體輻射腔提供穩定溫場，溫度標準器用以測量恒溫槽工作腔內介質的溫度，其示值作為待校準紅外額溫計測量值參考，為校準紅外額溫計提供依據。

圖 1 黑體輻射源工作原理

1.2 黑體輻射源整機結構設計

紅外額溫計校準用黑體輻射源裝置主要由黑體輻射腔、液體恒溫槽和溫度標準器組成，整機結構示意圖如圖2所示。黑體輻射腔是校準紅外額溫計的關鍵部件，其結構及內部涂層的質量對校準結果有著重要影響。液體恒溫槽裝置，用于放置并浸沒黑體輻射腔，使輻射腔的各個表面具有優異的溫度均勻性及溫度穩定性，用以提供高精度溫場。標準溫度計用于測量黑體輻射腔的溫度，為待校紅外額溫計的測量值提供了參考標準。

1.液體恒溫裝置 2.溫度標準器 3.法蘭 4.黑體輻射腔

2 黑體輻射源關鍵部件設計

2.1 黑體輻射腔總體結構設計

黑體輻射腔是黑體輻射源的核心部件，對黑體輻射腔的研究大體可分為：黑體輻射腔的結構設計、黑體輻射腔的有效發射率計算和如何實現更好的溫度均勻性。黑體輻射腔腔型及結構的設計通常受到實際加工、均勻加熱難易程度、有效發射率以及經濟性方面的影響，并且黑體輻射腔的有效發射率是評價其性能的重要參數，與腔體的材料、結構以及內部的等溫程度有關[7]，所以三者之間也互有影響。黑體輻射腔腔型選擇圓錐-圓柱形腔體，相比于球形腔，圓錐-圓柱形制作簡單，且相比圓柱形和錐形腔體可獲得更好的有效發射率。關于腔體材料，一般要求材料表面易于附著高發射率涂層、有較高的導熱能力和較好的抗氧化能力。結合以上要求，選取紫銅作為腔體材料。

黑體輻射腔由紫銅制作成型，腔長300mm，開口直徑50mm，底部圓錐角120°，其外形如圖3所示。該輻射腔腔體外表面采用鍍金工藝，能夠有效阻隔外壁的氧化，內部附著高發射率涂層[2]。

圖 3 黑體輻射腔3D渲染圖及內部結構圖

為驗證黑體輻射腔的結構合理性，對其進行了有限元仿真。模擬過程中對模型中的微小縫隙特征進行簡化。由于黑體輻射腔置于恒溫槽內，則認定為恒溫環境，恒溫槽工作腔為絕熱材料；黑體輻射腔初始溫度設置為299K（26℃左右），紫銅導熱系數為390W/(m·k)，仿真軟件中將恒溫槽內介質視為熱源；黑體輻射源法蘭處設置為與空氣直接接觸，對流換熱系數為25W/m2·K。通過中等大小的自由四面體劃分網格，對重點部分局部加密，平均網格質量0.82，滿足計算要求[10-13]。因為紅外額溫計用黑體輻射源主要工作區域為30℃～50℃，所以仿真溫度點為303.15K、313.15K和323.15K，仿真結果如圖4所示。

仿真結果顯示：在理想恒溫狀態下，隨著溫度升高，軸向溫差逐漸增大，在303.15K和323.15K時軸向溫差最大分別為0.001K和0.007K。通過探針沿軸向選取溫度點，可以看出溫差較大的區域主要在空氣接觸部分，下部腔體的溫度均勻性比較好，滿足使用要求。

圖 4 黑體輻射腔仿真結果

黑體輻射腔的另一指標是有效發射率，它反映了黑體輻射腔與理想黑體的接近程度。有效發射率的計算方法有許多種，其中多次反射法運算簡單，被廣泛應用于黑體輻射腔的設計。由于黑體輻射腔置于溫度均勻的恒溫槽中，腔體表面溫度均勻；又因其內壁涂有高發射率涂層，假設內壁為理想漫反射[2]，則模擬黑體輻射腔的發射率可表示為：

式中：0—腔壁材料發射率；′—開口面積；—腔內壁面積(包括開口面積)；Ω—黑體開口面積對應立體角；—黑體空腔開口半徑；—黑體腔長。

通過有限元仿真可知，黑體輻射腔軸向溫度均勻，以此為前提，代入腔體各項結構參數，可計算出黑體法向空腔發射率為0.997，該數值滿足JJF1107要求。

2.2 液體恒溫槽總體設計

理想黑體應是溫度均勻的，但實際應用中的黑體輻射源內部溫場不均勻，這將直接影響校準精度。為了盡可能保證黑體輻射源的性能，研制了高精度控溫的液體恒溫槽。

該液體恒溫槽內部腔體分為攪拌區和工作區兩部分，攪拌區通過控溫模塊控制加熱/制冷組件對介質進行溫度控制，可提供溫度范圍為20～90℃，采用側向攪拌的結構形式和垂直、水平方向的介質循環方式，在工作區內形成了一個均勻、穩定的溫度源，黑體輻射腔即位于此區域。兩區域的上、下兩端相通，除兩端外其余為分隔狀態，這樣可以減少攪拌區對工作區的溫度影響。整個內部腔體包裹在隔熱層中，減少了外部環境對恒溫槽內部溫場的影響[14,15]。內部腔體示意圖如圖5所示。

圖 5 恒溫槽內部腔體示意圖

該恒溫槽主要有以下技術特點：體積小、便于移動；采用精密控溫模組，分辨力0.001℃；操作簡便、觸摸屏顯示直觀；具備定時功能，減少控溫過程人工等待時間；斷電記憶功能；智能化自動控溫功能。主要技術指標如表1所示。

表 1 恒溫槽技術指標

3 黑體輻射源溫場及腔體亮度溫度校準試驗

黑體輻射源溫場質量和腔體亮度溫度是影響紅外額溫計的校準結果的重要因素，其中亮度溫度是在指定波長范圍，被測輻射體的輻射亮度與黑體的輻射亮度相同時黑體的溫度。試驗基于《恒溫槽技術性能測試規范》和《輻射測溫用-10℃～200℃黑體輻射源校準規范》對所研制黑體輻射源設備進行性能測試。

3.1 溫度標準器的選型

標準數字溫度計作為黑體輻射源用參考溫度值來源，其具有高準確度、高穩定性的特點。本次黑體輻射源配套溫度標準器選用泰安磐然測控科技有限公司PR712A標準數字溫度計，具有優異的長期穩定性，全系列產品的年變化均優于0.05℃。PR712A型產品內置參考級的標準電阻，全量程年變化優于0.01℃，可直接通過液晶屏顯示溫度值。

圖 6 PR712A標準數字溫度計

3.2 液體恒溫槽穩定性和均勻性測試試驗

由于黑體輻射腔壁厚較小且紫銅材料導熱較好，浸泡于液體恒溫槽中后，溫度穩定性和均勻性主要受恒溫槽中介質溫度影響，僅空氣對流換熱影響很小可以忽略，故直接測量恒溫槽的溫度穩定性和均勻性，均勻性測試示意圖如圖7所示。

穩定性：本次恒溫槽溫場穩定性試驗，測試溫度點選擇為30 ℃和50 ℃，將其中一支溫度計測量端置于工作區域1/2深度位置，待恒溫槽首次達到設定溫度點后保持15 min才可讀數。在10 min內，以每分鐘6次的均勻間隔讀取示值。取最值之差，即為恒溫槽在該段時間內的波動值，其反應了恒溫槽的穩定性。

圖 7 均勻性測試示意圖

從恒溫槽穩定性和均勻性測試結果（表2）可以看出該性能滿足《恒溫槽性能技術測試規范》要求。

表 2 恒溫槽穩定性與均勻性測試結果

3.3 黑體輻射腔溫度校準試驗

3.3.1 校準原理本次試驗采用比較法，以標準黑體輻射源為參考，輻射溫度計為比較器，校準本項目研制的黑體輻射源亮度溫度，如圖8所示。將校準和被校準黑體輻射源保持在相同溫度后一段時間，用輻射溫度計分別對標準、被校黑體輻射源進行測量，得到兩者的亮度溫度示值。根據公式(2)計算被校黑體輻射源的亮度溫度[17]：

式中：T—被校黑體輻射源的亮度溫度；T標準黑體輻射源的亮度溫度；T—輻射溫度計測量標準黑體輻射源的亮度溫度值；Tr—輻射溫度計測量被校準黑體輻射源的亮度溫度值；ΔT—T與T的差。

標準黑體輻射源亮度溫度由公式(3)得出：

式中：L(λ,T)—黑體光譜輻射亮度；λ2,λ1—輻射溫度計工作波段的上、下限；Ts—標準黑體輻射源亮度溫度；Tt—標準鉑電阻溫度計測量的實際溫度；Tam—標準黑體輻射源所處環境溫度（近似采用光闌溫度）；εs—標準黑體輻射源的有效發射率。

3.3.2 測量內容比較測量為每個溫度點3組，每組分別對標準黑體和被校黑體進行6次測量記錄，包括輻射溫度計示值以及標準鉑電阻示值；每組測量中，標準黑體與被校黑體采取交替并間隔30s的方式進行[17]。

3.3.3 數據處理（1）計算每次比較測量的T和ΔT。

（2）根據下式計算T和ΔT的平均值。

（3）根據公式(6)計算T。

所研制紅外額溫計黑體輻射源測試結果見表3，可以看出在有效的精確度以內，被校準黑體輻射源亮度溫度十分接近標準鉑電阻溫度計示值，完全滿足對于額溫計的校準。最終對校準效果進行了檢驗，圖9所示。

表 3 黑體輻射腔測試結果

圖 9 紅外額溫計校準效果檢驗

4 結 論

（1）設計了一種紅外額溫計用高精度校準裝置，解決了目前國內多數黑體輻射源設備難以滿足紅外額溫計校準要求的問題；在現行標準下，滿足了疫情防控工作中需要校準的紅外額溫計數量多、時間緊、任務重的要求；并對關鍵部件進行了仿真分析，給出了發射率計算方法，確定了結構和參數；

（2）通過Ansys軟件進行了黑體輻射腔傳熱仿真試驗，分析了黑體輻射腔在恒溫槽中的受熱溫度均勻性問題；通過公式計算，近似得到了黑體輻射腔的有效發射率。試驗驗證了液體恒溫槽的溫度穩定性和均勻性，并對黑體輻射腔亮度溫度進行了校準試驗，最終校準結果滿足預期。

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Design and Test of the High Precision Blackbody Radiation Source of Calibration of Infrared Frontal Thermometer

ZHU Jing-guo1, YANG Jun-tao1, ZHANG Ju2, SUN Bin3, LIU Xian-xi3, ZHANG Kai-xing3

1.730070,2.271000,3.271018,

In view of the problem that the calibration equipment of infrared thermometer in China cannot meet the current calibration accuracy requirements under the epidemic environment, a high-precision blackbody radiation source applied to the calibration of infrared thermometer is designed and developed in this paper. Firstly, the principle and overall structure of the blackbody radiation source are described, and the design parameters of the blackbody radiation cavity and other key components are determined; Secondly, the static thermal simulation of the temperature uniformity of the blackbody radiation cavity is carried out, and the approximate calculation of the emissivity of the blackbody cavity is completed through the formula, which verifies the feasibility of the structure; Finally, the performance test of the black body cavity and the matching thermostatic bath was carried out, and the temperature uniformity of the equipment was 0.01 ℃, the stability was ≤ 0.01 ℃/10 min, and the emissivity of the black body cavity was ≥ 0.997, which met the requirements of JJF1107 calibration specification for infrared thermometers measuring human body temperature.

Infrared frontal thermometer; blackbody radiation cavity; simulation analysis; prototype test

TB942

A

1000-2324(2022)06-0969-07

2022-10-14

2022-11-04

甘肅省自然科學基金(21JR7RA685);山東省科技型中小企業創新能力提升工程項目(2021TSGC1369);泰安高新區加快科技成果轉化促進新動能培育計劃(KJD202014);泰安市科技創新發展項目(2021GX015)

朱經國(1965-),男,本科,教授級高級工程師,主要從事溫度計量研究工作. E-mail:1257603799@qq.com

Author for correspondence. E-mail:kaixingzhang@139.com

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.06.025