包翱翱,曹盤勛

(中電科技集團(tuán)紅外工程技術(shù)有限公司,北京 100015)

1 引 言

任何物體都具有不斷輻射、吸收、發(fā)射電磁波的本領(lǐng)。輻射出去的電磁波在各個波段是不同的,也就是具有一定的波譜分布。這種波譜分布與物體本身的特性及其溫度有關(guān),因而被稱之為熱輻射[1]。為了研究不依賴于物質(zhì)具體物理特性的熱輻射規(guī)律,物理學(xué)家們定義了一種理想物體——黑體,以此作為熱輻射研究的標(biāo)準(zhǔn)物體。

所謂黑體是指入射的電磁波全部被吸收,沒有反射。最早的理想黑體理論是在1860年由基爾霍夫提出,從密閉等溫腔體內(nèi)的任意面元上發(fā)出的輻射是等溫腔體溫度下的黑體輻射。普朗克輻射定律給出了黑體輻射的具體譜分布。黑體的吸收率α=1,這就意味著黑體能夠全部吸收各種波長的輻射能[2]。盡管在自然界并不存在這種理想的黑體,但用人工的方法可以制造出十分接近黑體的模型,黑體輻射源就是我們認(rèn)為的接近黑體的模型。基爾霍夫理想黑體物理模型為人們研制人工黑體提供了基本的方法,即在密閉等溫腔體上開一個小孔,從小孔中發(fā)出的輻射近似為黑體輻射,開孔腔體即為空腔式黑體輻射源。

標(biāo)準(zhǔn)黑體作為紅外輻射源已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于紅外光學(xué)系統(tǒng)的校準(zhǔn),各種材料發(fā)射率的測量,紅外探測器參數(shù)的測定,以及作為紅外輻射計和紅外熱像儀的標(biāo)準(zhǔn)溫度傳遞的一種裝置,在科研、教學(xué)以及紅外測溫領(lǐng)域是不可缺少的設(shè)備之一[3]。

本文通過以下四個方面的研究,達(dá)到有效提高面源黑體的精度,提高使用的可靠性和均勻性的目及要求。

1)確定黑體靶面材料并通過理論計算和實(shí)驗(yàn),設(shè)計并制作黑體靶面；

2)采用高精度,多傳感器方式提高黑體輻射源溫度控制精度和溫度穩(wěn)定性；

3)半導(dǎo)體制冷片可靠性和最大功率的考慮和確定；

4)通過實(shí)際測試,分析溫度穩(wěn)定性及誤差是否達(dá)到設(shè)計要求。

2 工作原理

通過高精度溫度傳感器采集黑體靶體溫度,經(jīng)信號放大濾波送入PID控制器中進(jìn)行計算,確定微分、比例、積分參數(shù)并通過輸出控制,驅(qū)動功率模塊對黑體靶面進(jìn)行加熱或制冷。其工作原理框圖見圖1所示。

圖1 低溫面源黑體工作原理圖Fig.1 Theory of low temperature extended area blackbody

3 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)要求

關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如下:

溫度控制范圍:10～60 ℃

溫度控制精度:0.01 ℃

溫度穩(wěn)定性:±0.01 ℃

有效靶面尺寸:100 mm×100 mm

有效靶面不均勻度:±0.15 ℃在80%區(qū)域內(nèi)

恒溫時間:30 min

有效發(fā)射系數(shù):0.97±0.02

4 面源黑體的設(shè)計

4.1 黑體靶面結(jié)構(gòu)設(shè)計和處理

黑體靶面結(jié)構(gòu)的選擇通?；谟行Оl(fā)射率、實(shí)際加工、等溫均溫加熱的難易程度以及經(jīng)濟(jì)等方面的考慮。這是因?yàn)楹隗w輻射源的有效發(fā)射率和黑體靶面材料、靶體的形狀以及靶體內(nèi)部的等溫程度有關(guān),對黑體靶面材料的一般要求是:材料表面的發(fā)射率高,并盡可能具有漫反射性能；在黑體工作溫度范圍內(nèi)要有好的抗氧化能力,如采用氧化發(fā)黑,氧化層應(yīng)不易脫落,可長期在空氣中使用,此外,為了獲得均勻的溫度分布,材料應(yīng)具有較高的熱傳導(dǎo)性能。較大的熱傳導(dǎo)系數(shù),在本次設(shè)計中黑體靶面的材料采用紫銅,其性能具有很好的抗氧化能力和較高的熱傳導(dǎo)性能,并把靶面加工成100 mm×100 mm厚度為10 mm的紫銅板,外表面用粗金剛砂噴丸使其表面打出均勻的坑凹,再氧化發(fā)黑處理,烘烤后去除油污并噴圖高發(fā)射率無光黑漆,提高靶面的有效發(fā)射率。

4.2 黑體靶面溫度誤差的計算

當(dāng)輻射源處于某一穩(wěn)定的溫度狀態(tài)時,輻射源發(fā)射率系數(shù)為0.97時,傳感器探測到的溫度值為TSV,黑體靶面的溫度值為T,表面溫度均勻,黑體靶面熱輻射面積為A,黑體靶面的厚度δ=0.01 m,工作環(huán)境室溫為20 ℃。導(dǎo)熱過程為穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程。

根據(jù)傅里葉定律:

式中，靶面導(dǎo)熱系數(shù)λ=155 W/(m·K)

根據(jù)斯特藩-玻爾茲曼定律:

Φσ=εAσ(TSV4-T4)

(2)

式中，σ=5.67×10-8W/(m2·K4)；靶面發(fā)射率ε=0.97。

表面散熱量:

Φh=hA|(T-293)|

(3)

式中，h=5.75 W/(m2·K)。

由Φ=Φσ+Φh可得:

5.5×10-8T4-205.75T-5.5×10-8TSV4

+200TSV+1684.75=0

(4)

則當(dāng)TSV已知,可求得靶面表面溫度T,如表1所示。

表1 黑體靶面理論溫度值與偏差Tab.1 Target face of the blackbody theoretical temperature value and deviation

4.3 采用高精度,多傳感器方式提高黑體輻射源溫度控制精度和溫度穩(wěn)定性

金屬鉑電阻高精度傳感器較其它溫度傳感器的測量精度要高出許多,PT100溫度傳感器的線性度和一致性相對其他溫度傳感器要好得多,利用這一特性用四只PT100兩兩串聯(lián)后再并聯(lián)，如圖2所示,其PT100溫度傳感器隨溫度變化的ΔT和單只隨溫度變化的ΔT是等效的,并把該信號通過電路放大和線性化處理,可有效提高其溫度分辨率,將該四只PT100溫度傳感器插入紫銅靶面預(yù)留的四個不同位置的測溫孔內(nèi),由于溫度傳感器所采集的數(shù)據(jù)是來自四個不同位置的溫度點(diǎn),其位置可根據(jù)靶面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇,靶面的采集溫度值是來自四個不同點(diǎn)的溫度值,從金屬熱傳導(dǎo)的角度講實(shí)際上是靶面四個點(diǎn)的平均溫度,有效地提高了靶面的測溫精度且減小了由于加熱的不均勻性引起的誤差。

圖2 溫度傳感器聯(lián)結(jié)示意圖Fig.2 Temperature sensor connection diagram

4.4 半導(dǎo)體制冷片可靠性和最大功率的考慮

半導(dǎo)體制冷片的加熱和制冷的控制方式直接影響半導(dǎo)體制冷片模組的可靠性[4]。在控制頻率低于1000 Hz時,開關(guān)控制ON/OFF(如自動調(diào)溫器)和脈寬調(diào)制PWM控制是影響可靠性的因素之一,其次半導(dǎo)體制冷片模組的加熱和制冷的頻繁切換,即正負(fù)供電電極的切換是影響可靠性最主要的因素,因此在本方案中采用了加熱和制冷分開兩路控制的方式,而不推薦使用開關(guān)控制或者頻率低于1000 Hz的脈寬調(diào)制控制,而采用了調(diào)壓/調(diào)功相結(jié)合的一體化控制方式,調(diào)壓方式具有對負(fù)載電流沖擊小,但不可避免地帶來電源污染,降低功率因數(shù),過零調(diào)功方式避免了調(diào)壓方式的不足,但無法限制電流,電流沖擊較大,所以用兩者結(jié)合的輸出來驅(qū)動半導(dǎo)體制冷片的制冷,保證了制冷片的可靠性。

一般情況下,制冷片功率指的是耗電量,而不是制冷量,現(xiàn)在的制冷片的制冷效率一般在60%左右,也就是能效比0.6左右,很低(壓縮機(jī)的熱泵至少2.0以上)。以100 W為例,100 W的制冷片一般也就能產(chǎn)生60 W左右的制冷量(每秒大約可以從冷面吸收60 J左右的熱量)而熱面所產(chǎn)生的熱量是非常大的,除了100 W的功耗所產(chǎn)生的熱量還有60 W左右的從冷面吸收的熱量總共大約160 W左右,冷熱面的溫度相差比較懸殊,所以要重點(diǎn)考慮發(fā)熱面的散熱問題,在發(fā)熱面散熱不好的情況下電流也會有所下降,特別是大功率的半導(dǎo)體制冷片這種現(xiàn)象比較突出,比如最大電流12 A的半導(dǎo)體的制冷片實(shí)際使用的時候電流只有10 A不到的電流,制冷片的制冷效果和發(fā)熱面的散熱效果有很大關(guān)系,發(fā)熱面的散熱效果不好冷面溫度就很難降下來,由于發(fā)熱面溫度較高,所以散熱一定要做好。本研究中采用了循環(huán)水散熱加風(fēng)冷的散熱方式,經(jīng)試驗(yàn)效果顯著。

4.5 溫度穩(wěn)定性及誤差試驗(yàn)數(shù)據(jù)

依據(jù)JJF1080—2002 -50 ℃～+90 ℃黑體輻射源校準(zhǔn)規(guī)范,特對本次研發(fā)的面源黑體輻射源溫度穩(wěn)定性及誤差做了試驗(yàn)。本次試驗(yàn)環(huán)境溫度為(23±1)℃,環(huán)境濕度為36%。數(shù)據(jù)統(tǒng)計見如表2所示。

表2 面源黑體輻射源溫度穩(wěn)定性 及誤差數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Tab.2 Statistical Table of temperature stability and error data of source blackbody radiation source

5 結(jié) 論

采用高導(dǎo)熱系數(shù)紫銅作為面源黑體靶面材料,并采用特殊加工工藝,高發(fā)射率噴涂材料,可有效提高黑體靶面的發(fā)射系數(shù)和靶面均勻性；用多個傳感器采集靶面溫度信號經(jīng)過試驗(yàn)和測試有效地提高了面源黑體的溫度控制精度。半導(dǎo)體制冷片的散熱是提高制冷效率和可靠性的關(guān)鍵,本設(shè)計中使用循環(huán)水散熱加風(fēng)冷散熱一體化設(shè)計達(dá)到了黑體爐研制的目的和技術(shù)指標(biāo)的要求。