（光学工程专业论文）黑体辐射源校准技术研究.pdf

学科：光学工程研究生签字：指导教师签字黑体辐射源校准技术研究要黑体辐射源( 黑体) 作为标准红外辐射源，广泛应用于红外光学系统的校准，各种材料发射率的测量，以及红外探测器及红外辐射仪器的标定。怎样对黑体辐射源进行精确标定就成为人们亟待解决的问题。本文对中、高温黑体辐射源的温场特性和辐射特性进行了较深入的分析与研究，研究结果对黑体辐射源校准装置的研究具有一定的参考价值和科学意义。黑体辐射源的溯源本文采用两种方式，5 0 1 2 5 0 的中温黑体源传递发射率，既可以溯源到国际最高标准凝固点黑体也可溯源到绝对低温辐射计，1 0 0 0 2 0 0 0 黑体辐射源传递等效温度，通过研究认为目前仅能溯源到绝对低温辐射计。本文按黑体辐射源校准装置的构成重点对一级标准变温黑体的选择、黑体有效辐射面的确定，实现短腔黑体高精度测温和低噪声信号处理系统的建立等进行了详细周密的研究，得出了一系列有研究价值的结论，为整套高精度黑体辐射源校准装置的建立提供了强有力的理论基础和实验依据。本文按黑体辐射源的溯源方式分别对一级标准黑体的温场特性、辐射特性进行了一系列实验，一方面验证了理论研究和作出各个分系统选择的正确性，另一方面验证了各个分系统完全满足建立黑体辐射源校准装置的要求。最后在一系列实验结果的基础上，对测量结果和建立起的整套系统进行了不确定度分析，和国家计量检定规程j j g3 0 9 - - 2 0 0 1 和中温黑体检定规程g 腰1 8 2 6 9 3 制定的规定相比，完全满足建立国防最高标准的要求。关键词：黑体辐射源；辐射腔体：发射率：温场均匀性；黑体辐射源校准r e s e a r c ho ft h ec a l i b r a t i o nt e c h n o l o g yf o rb l a c k b o d yr a d i a t i o ns o ur c ed i s c i p l i n e ：o p t i c a le n g i n e e r i n gs t u d e n ts i g n a t u r e ：s u p e r v i s o rs i g n a t u恤慨伽厂ra ss t a n d a r dr a d i a t o ns o u r c e ，b l a c k b o d yr a d i a t i o ns o u r c e ( b l a c k b o d i e s ) a l eu s e dw i d e l yi nc a l i b r a t i o no fi ro p t i c a ls y s t e m ，m e a s u r e m e n to fm a t e r i a le m i s s i v i t ya n dv e r i f i c a t i o no fi rd e t e c t o r sa n di rr a d i a t i o ni n s t r u m e n t s t h e r e f o r e ，h o wt oc a l i b r a t eb l a c k b o d yr a d i a t i o ns o u r c ea c c u r a t e l yh a sb e c o m ea nu r g e n tp r o b l e m i nt h i sp a p e r , t h et e m p e r a t u r ef i e l dc h a r a c t e r i s t i c sa n dr a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sf o rh i g ht e m p e r a t u r eb l a c k b o d yr a d i a t i o ns o u r c ea r ea n a l y z e da n ds t u d i e di nd e t a i l t h es t u d yr e s u l t sc o u l dh a v es o m er e f e r e n c ev a l u e sa n ds c i e n t i f i cs i g n i f i c a n c et ot h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fb l a c k b o d yr a d i a t o rc a l i b r a t i o nf a c i l i t y t h et r a c t a b i l i t yo fb l a c k b o d yr a d i a t i o ns o u r c ec o u l db ed o n ew i t ht w om e t h o d s f o rt r a n s f e ro fe m i s s i v i t yb y5 0 1 2 5 0 m i d d l e - t e m p e r a t u r eb l a c k b o d y , i tc o u l db et r a c e dt oi n t e r n a t i o n a lp r i m a r ys t a n d a r do ff r e e z i n gp o i n tb l a c k b o d yo rt oa b s o l u t ec r y o g e n i cr a d i a t o r s f o rt r a n s f e ro fe q u i v a l e n tt e m p e r a t u r eb y10 0 0 c - 2 0 0 0 。cb l a c k b o d yr a d i a t i o ns o u r c e ，t h r o u g hs t u d y , w et h i n kt h a ti tc o u l do n l yb et r a c e dt oa b s o l u t ec r y o g e n i cr a d i a t o r s a c c o r d i n gt om a i nc o n f i g u r a t i o no ft h eb l a c k b o d yr a d i a t o rs t a n d a r df a c i l i t y , t h i sp a p e rs t u d i e s t h es e l e c t i o no fp r i m a r ys t a n d a r dv a r i a b l et e m p e r a t u r eb l a c k b o d y 、t h es i z eo fb l a c k b o d ye f f e c t i v er a d i a t i o ns u r f a c e 、t h ei m p l e m e n t a t i o no fh i g ha c c u r a t et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tf o rs h o r tc a v i t yb l a c k b o d ya n dt h ee s t a b l i s h m e n to fl o wn o i s es i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m as e r i e so fv a l u a b l ec o n c l u s i o ni sm a d e ，w h i c hp r o v i d e ss o l i dt h e o r yb a s e sa n de x p e r i m e n t a lc r i t e r i o nf o rt h ee s t a b l i s h m e n to fh i g h - a c c u r a c yb l a c k b o d yr a d i a t o rs t a n d a r df a c i l i t y 1 1 1 ep a p e rd e s c r i b e sas e r i e so fe x p e r i m e n t sd o n ef o rs t u d yo ft e m p e r a t u r ef i e l dc h a r a c t e r i s t i c sa n dr a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sb a s e do nt r a c t a b i l i t ym e t h o do fb l a c k b o d yr a d i a t o r o nt h eo n eh a n d ，t h e s ee x p e r i m e n t sh a v et e s t i f i e dt h ec o r r e c t n e s so ft h e o r ys t u d ya n ds e l e c t i o no fv a r i o u sa s s e m b l i e s o nt h eo t h e rh a n d ，t h e s ee x p e r i m e n t sa l s oh a v et e s t i f i e dt h a te a c ha s s e m b l i e sh a v ec o m p l i e dw i t ht h er e q u i r e m e n t so fe s t a b l i s h i n gb l a c k b o d yr a d i a t o rs t a n d a r df a c i l i t i e s f i n a l l y , b a s e do nt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，t h eu n c e r t a i n t yo ft h em e a s u r e m e mr e s u l t sa n dt h ef a c i l i t ya r ea n a l y z e d c o m p a r e dw i t hn a t i o n a lv e r i f i c a t i o nr e g u l a t i o no fj j g 3 0 9 2 0 01a n dm i d d l e - t e m p e r a t u r eb l a c k b o d yv e r i f i c a t i o nr e g u l a t i o no fg j b18 2 6 - - 9 3 ，i tc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fe s t a b l i s h i n gn a t i o n a ld e f e n s ep r i m a r ys t a n d a r d k e yw o r d s ：b l a c k b o d yr a d i a t i o ns o u r c e ；e m i s s i v i t y ；r a d i a t i o nc a v i t y ；t e m p e r a t u r ef i e l du n i f o r m i t y ；b l a c k b o d yr a d i a t i o ns o u r c ec a l i b r a t i o n学位论文知识产权声明学位论文知识产权声明本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。大学有权保留送交的学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定)学位论文作者签名：_ 弘二指导教9日期：学位论文独创性声明学位论文独创性声明秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位或他人已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。第一章绪论1 绪论自从1 8 0 0 年英国的天文学家威赫谢耳发现红外线以后，红外科学经历了一个漫长的不平坦的道路。首先，随着整个物理学的发展，人们花了一百多年的时间去认识红外辐射的本质和建立基本的辐射定律，为红外科学奠定了理论基础。其次，随着红外辐射源、红外辐射探测技术以及红外光谱学的研究进展和应用，在1 9 6 1 年，以国际性学术刊物“i n f r a r e dp h y s i c s ”的创刊为标志，红外物理学才作为- - f - j 分支学科正式形成【1 1 。但是，近几十年来，红外技术得到了非常迅速的发展，它在现代军事技术、工农业生产、空间技术、资源勘测、气象预报和环境科学等许多领域中的应用日益增多。例如，应用红外技术的夜视、摄影、通信、搜索、跟踪、制导、火控、热成像和前视、目标侦察和伪装探测等，不仅保密性好，抗电子干扰性强，而且分辨率高，准确可靠，大大提高了军队装备的现代化水平。利用红外遥感技术进行资源勘测、海洋研究、气象观测、大气研究和污染监测，覆盖面大，不受地理位置和条件限制，获得信息迅速、丰富，并可及时掌握动态变化。在工农业生产中广泛使用的红外辐射测温【2 】【3 1 、无损检测、成分分析与流程控制4 j t1 5 】、辐射加温技术等，也都显示出红外技术的独特优点。红外技术在现代工程技术应用中有非常大的前景，而红外辐射源的发展不仅在红外物理学的正式形成过程中起了非常大的作用，而且是研究所有红外系统必须首先要考虑的问题之一。要研制一个红外系统，除了工程问题以外，遇到的主要物理问题就是根据目标或者辐射源的特征或状态，估计它发射的红外辐射特性，分析计算该辐射在传输过程中被介质吸收、散射所造成的衰减，传输过程中的调制现象以及探测系统中发生的信号转换过程与特性，它的出发点就是红外辐射源。而黑体是人们在研究过程中常用的标准辐射源，因此，对黑体辐射源的研究就显得非常重要，由于黑体辐射源在红外工程中是作为标准辐射源来使用的，因而，对黑体辐射源的研究中的关键之一就是对它的校准技术的研究，它是红外技术发展的基础。1 1 黑体辐射源的定义凡是温度高于绝对零度的物体都可以发射红外辐射，所以，从原则上讲，自然界任何物体都是红外辐射源。然而，对红外物理研究和红外技术应用具有实际意义的红外辐射源十分有限，它主要包括四种类型：作为辐射标准的黑体辐射源；红外技术中应用的红外辐射源：红外系统在进行探测、定位、和识别时使用的红外目标源；干扰红外系统探测的背景辐射源。本论文重点校准的辐射源就是作为辐射标准的黑体辐射源，它是由物理学家基尔霍夫( k i r c h u f f ) 在1 9 6 0 年提出来的，他指出能够在任何温度下全部吸收所有波长的辐射的物体叫绝对黑体1 6 1 。绝对黑体的辐射称为黑体辐射。一个密闭空腔中的辐射就是黑体西安工业大学工程硕士学位论文辐射，不过绝对黑体只是一个理想的概念。实际上，为了从腔内取出辐射，需要在密闭空腔上开一个小孔，这样它就成为一个实际的黑体。基尔霍夫( k i r c h u f f ) 不仅给出了黑体的定义，还提出了制作黑体辐射源的理论原则，指出腔体应处于理论等温状态，辐射小孔的面积与腔体内表面的面积相比应可以忽略。到2 0 世纪4 0 年代，高菲( o o u f f e ) 建立了完整的空腔辐射理论，为黑体辐射源的应用奠定了基础。1 2 黑体辐射源的特点黑体辐射源通常用作辐射标准，他被用于：标定各种红外辐射源的辐射强度；用于各种辐射温度计、热成像系统等辐射测温设备的标定；标定各种类型的辐射探测器的响应率；研究各种物质表面的热辐射特性；辅助测量材料表面发射率，光学系统的透射比及物质的透射、反射和吸收等光学性能；研究大气或其它物质对辐射的吸收或透射性能。衡量一个黑体辐射源性能的优劣，主要决定于空腔内有效发射率7 】【8 】，1 9 和辐射能量的大小【1 0 】，以及黑体腔的工作温度1 2 】 【l3 1 。黑体辐射源的有效发射率与开孔面积相对于腔体的总内表面积的大小、黑体腔的形状和材料的发射率以及腔体偏离真正等温条件的程度等有判引。黑体的辐射通量取决于开孔前面所用的光阑或辐射腔口的直径【1 4 】，【1 5 】。黑体辐射源的工作温度应按应用目的来进行选择。一般说来，除了应用于研究大气吸收特性的黑体辐射源外，通常都选择大气透过率高的工作波段，这样的工作波段常常称为大气窗口，这样可以减少大气吸收对测量结果的影响。1 3 黑体辐射源的结构及设计要求典型的腔形黑体辐射源的结构【6 】如图1 1 所示，它主要由包容腔体的黑体腔芯、无感加热绕组、测量和控制温度传感器和温度控制器以及腔体外的保温绝缘层等组成。黑体的前面板设有光阑，它的孔径要小于腔口的直径。西安工业大学工程硕士学位论文l234图1 1 典型腔形黑体辐射源结构示意图l 一黑体腔芯2 一无感加热绕组3 保温绝缘层4 一冷却水管或风道5 一黑体腔测温传感器6 一黑体腔控温传感器7 一精密辐射光阑常用的腔形黑体辐射源的腔形结构主要有锥形腔、柱形腔、球形腔以及它们的组合体，我们以组合体腔为例进行具体说明，它们的断面图如图1 2 所示。图中，l 为腔体长度，2 r 为腔的圆形开口直径。abc图1 2 组合体腔断面图a 锥腔黑体截面图b 柱腔黑体截面图c 球腔黑体截面图腔体结构的选择，主要应考虑腔体的有效发射率、腔体加工和等温加热的难易程度等。这是因为黑体辐射源的有效发射率和黑体腔体材料、腔体的形状以及腔体内部的等温程度有判1 6 j ，在制作腔形黑体辐射源时应着重注意考虑以下问题。( 1 ) 腔体的选择根据高菲理论对三种基本腔形黑体的分析比较，可以看出，在相等的相对腔长和相同的腔体材料表面发射率的条件下，锥形腔的发射率最小，球形腔的发射率最大，而柱形腔比球形腔稍小。但是从源的体积和重量较小、易于保温、温度均匀以及加工容易等方面来看，柱形腔和锥形腔具有较多的优点，所以在高、中、低温黑体辐射源中广泛采用柱形腔做高精度黑体，而在工业标准中温黑体源中常常采用锥形腔，球形腔仅在大1 ：3 径黑体源的情况下被采用。两安t 业大学工程硕士学位论文( 2 ) 对腔体材料的要求和选择对腔体材料的一般要求是：材料表面的发射率高，并尽可能具有漫反射性能；在黑体工作温度范围内( 尤其是对高温黑体源) 要有好的抗氧化能力【1 8 】，如采用氧化发黑内腔壁，氧化层应不易脱落，可长期在空气中使用，如黑体工作温度较高，必须用高纯氮气对腔内壁进行保护：此外，为了获得均匀的温度分布，材料应具有较高的热传导性能。对于1 4 0 0 k 以上的高温黑体，通常选用石墨和陶瓷材料，也可用高熔点纯金属制作。为了防止氧化，常用惰性气体作为保护气氛。对于1 4 0 0 k 以下的中温黑体，选用铬镍不锈钢最好，它经1 0 0 0 氧化后，其发射率达0 8 5 以上。例如，用i c r l 8 n i 9 t i 氧化发黑后，其平均发射率可达0 9 以上。中温黑体源也可采用石墨作腔体材料，它能在空气中工作，但其发射率不高。( 3 ) 对加热的要求为了实现腔体均匀加热，使腔壁温度分布均匀，加热线圈需合理分布，要求中间稀疏，后端稍密，还可采用二组或三组加热丝以达到均匀加热的效果【l9 1 。上述方法是目前最常用的加热方法，但温度均匀性达不到很高的精度。如果要制作温度均匀性特别好的黑体，可采用恒温热流法，其温度均匀性精度很高，但造价很贵。( 4 ) 对温度测量和控制f 2 0 】，f 2 l j 的要求常用铂电阻温度计插入腔体以测量腔体温度，而用另一温度计插入腔芯，并接上电子比例控制器以控制腔芯温度。对温度控制稳定性的要求取决于对黑体辐射精度的要求。根据斯特藩一玻尔兹曼定律，黑体辐射源的辐出度为m = 6 c r t 4 ，其占为有效发射率，它一般在o 9 9 以上。所以当黑体源工作温度改变d t 时，由此引起黑体辐出度的相对变化d m m = 4 d t r 。因此，如果要求黑体源的辐出度变化小于1 ，则要求黑体腔内的温度变化不超过0 2 5 ，对于1 0 0 0 k 的黑体辐射源，要求温度测量和控制的精度在2 5 以内。又如，若要求保证0 5 的辐出度精度，则要求控制温度的精度约为0 1 ，对于1 0 0 0 k黑体源，要求温度测量和控制的精度达l 左右。总之，在制作黑体辐射源时，对有效发射率、温度范围、孔径大小、加热时间、温度稳定性、控温精度、恒温区大小以及源体尺寸和重量等都有一定要求，这些均应根据使用场合和实际用途，进行合理选择和设计。1 4 黑体辐射源校准的国内外发展状况自二次世界大战以来，人们一直致力于研制高精度的黑体炉，但直到上世纪七、八十年代，才涌现出一些研制成功的范例，推出了一些性能很好的黑体，如美国光电公司推出的s s 系列和l s 系列黑体；英国l a n d 公司推出的l f 系列黑体；俄罗斯的全俄光学物理测量研究院推出的b b 系列黑体；德国、法国等国家也相继推出了各具特色的黑体。我国上海技术物理研究所从上世纪六十年代开始黑体研制工作，于1 9 8 1 年推出h f y一1 0 0 型电阻丝加热型黑体，1 9 8 2 年研制成功h f y 一2 0 0 型热管辐射热型黑体，上海自西安工业大学丁程硕士学位论文动化仪表研究所和航天5 0 1 所于八十年代也研制成功热管型黑体。昆明物理研究所、中国兵器工业第二零五研究所、中国空空导弹研究院等单位也推出了自己的产品。黑体辐射源校准技术的发展几乎与黑体辐射源的发展同步，英、美、俄等西方发达国家都相继研制出了自己的黑体辐射源校准装置，其中前苏联以校准黑体的发射率为主，美国等国家以校准黑体的等效温度为主，我过限于当时的情景，沿用了前苏联的溯源模式，同样也采用校准黑体辐射源的有效发射率，二十世纪八十年代中国计量测试技术研究院建立了5 0 0 k 1 0 0 0 k 的黑体辐射源校准装置，但随科学技术的发展，远不能满足黑体溯源的要求，“九五”期间国防科工委光学计量一级站研制出了5 0 1 0 0 0 黑体辐射源标准装置，“十五”期间，我们在该装置的基础上，对该装置进行了技术改造扩展到了5 0 2 0 0 0 ，满足了国内黑体辐射源量值传递的需求。1 5 论文研究的主要内容随着红外技术的发展，特别是用于压制兵器、防空和反坦克武器、制导与跟踪系统、预警与反导弹武器的红外制导技术和成像技术的发展，黑体作为一种红外辐射源，在红外仿真、红外弹的研制生产过程中，都起着非常重要的作用。我国目前主要型号项目如型主战坦克、型高炮、各种型号的武装直升机、型对舰导弹，上海航天局某研究所的型红外导引头、红外位标器，航天某院的红外仿真系统，航天某研究所的型红外引信地面测试设备、红外位标器的标定装置等等，这些项目都要用到黑体辐射源，黑体辐射源性能的准确测定关系到这些项目的性能发挥，甚至是成败的关键，基于这些原因，迫切需要能够对黑体辐射源的性能参数进行精确校准【2 2 1 。本论文紧跟国际当前水平，在5 0 1 0 0 0 温度范围内采用的是以金属凝固点黑体为基础进行的量值传递，工作标准黑体的量值直接溯源于国际公认的基准金属凝固点黑体。在1 0 0 0 2 0 0 0 温度范围内采用的是以低温辐射计为基础的量值传递，工作标准黑体的量值最终溯源于低温辐射计，确保量值的准确可靠。本论文共分6 章，具体内容安排如下：第一章，主要介绍了黑体的定义，黑体辐射源的特点，黑体辐射源的结构和设计要求，黑体辐射源的类型及应用，并介绍了国内外黑体辐射源校准的研究现状，指出黑体辐射源校准的意义和主要内容。第二章，对热辐射及黑体辐射定律做了简单介绍。第三章，主要对黑体辐射源需校准的参数、黑体辐射源校准装置的构成、黑体辐射源辐射特性校准原理、黑体辐射源温度特性校准原理进行了研究。第四章，按照黑体辐射源校准的溯源方式，分别对s s l 2 5 0 和l s 2 0 0 0 1 0 0 和温度特性进行了测量；用凝固点黑体和高精密r t 3 0 0 0 滤波辐射计对s s l 2 5 0 黑体和l s 2 0 0 0 1 0 0高温标准黑体辐射特性进行了校准；最后分别用s s l 2 5 0 和l s 2 0 0 0 1 0 0 黑体对工业黑体进行了校准，并对实验结果进行了简要分析。西安下业大学工程硕士学位论文第五章，利用前几章提出的校准方法和校准步骤，对影响黑体辐射源标准装置测量结果的不确定度进行了科学细致地分析，和国家检定规程提出的指标相比较，分析结果表明：对工业黑体辐射源标定技术是现实可行的，能满足黑体辐射源量值传递的需求。第六章，对全文进行了总结，并对黑体辐射源校准技术的研究提出了一些建议。第二章黑体辐射定律及黑体辐射特性2 黑体辐射定律及黑体辐射特性物体因温度而辐射能量的现象叫热辐射。热辐射是自然界中普遍存在的现象，一切物体，只要其温度高于绝对零度，都要程度不同的产生辐射。鉴于非绝对零度的物体热辐射的特点，人们开发出了一系列热探测的仪器和设备，而黑体就是这些热探测仪器和设备标定的最好参考标准，为了以后章节中能更好地研究对黑体辐射源的校准，本章将讨论热辐射的有关定律及黑体辐射定律。黑体辐射就是理想黑体这样一个假想物体被加热时应该产生的辐射。地球上最接近理想黑体的等价物，是带一个小孔的大容器，并使辐射通过小孔照射容器内部，当容器壁被加热时，从小孔出来的辐射就是黑体辐射。黑体辐射的性质决定于黑体的温度，温度较高时，短波辐射所含的能量较多。这就是为什么温度较低的铁块发射看不见的红外辐射，稍热的铁块发红光，更热的铁块发白光等等。虽然黑体是一个理想化的概念，但很多天体的辐射能够近似地用等价黑体辐射来描述，例如，太阳辐射相当于温度为6 , 0 0 0 k 左右的黑体辐射。下面对黑体辐射理论的几个重要定律和公式做简单介绍。2 1 热辐射定律凡温度高于绝对零度的物体都发出辐射，统称为“热辐射”。热辐射是自然界中普遍存在的现象，热辐射的基本原理是普朗克黑体辐射定律。普朗克定律的基本前提是：热辐射由简谐运动的线形的原子振子产生，振子不连续地以分立量子方式发射，分立量子e 是辐射频率1 ) 的函数，其关系为e = h v ，式中h 是普朗克常数。热辐射体有黑体、灰体和选择性辐射体三类，都是以辐射效率来表征的。辐射效率特性用光谱发射率8 ( 九) 来描述的，( 九) 可看作是给定波长九的辐射发射效率。黑体是理想化的物体。在给定温度下，它能发射和吸收理论上可达到的最大热辐射量。在研究的感兴趣的给定波长范围内，理想黑体的= l ，而在确定的频带范围内，理想灰体的- 常数 l ，与波长无关。选择性辐射体o 鱼( 九) 5 1 ，实际上可能显示出与九的任一种单值关系，随波长和温度的变化而变化。2 1 1 基尔霍夫定律通常，一个物体向周围放出辐射能的同时，也吸收周围物体所放出的辐射能。如果某物体吸收的辐射能多于同一时间放出的辐射能，则其总能量增加，温度升高；反之能西安工业大学t 程硕十学位论文量减少，温度下降。当辐射能入射到一个物体表面时，将发生三种过程，既一部分能量被物体吸收，一部分能量从物体表面反射，一部分透射。对于不透明物体，一部分能量被吸收，另一部分能量从表面反射出去。被吸收的能量与入射总能量之比，称为物体的吸收本领，用口，表示；被反射的能量与入射总能量之比，称为物体的反射本领，用n 表示。显然，对于不透明物体来说，物体的吸收本领与反射本领之和为l ，即：口a + n = 1基尔霍夫于1 8 6 0 年证明了物体的单色辐射通量m ( a ，t ) 和它的光谱吸收系数a d之比是一个普适函数，与物体的性质无关，仅与物体的波长a 和温度丁有关系，用数学式表达为：坐埃：m ，丁)( 2 1 )a ( j t ，丁)一77、7根据黑体的定义，在任何波长下，它的光谱吸收系数等于1 ，也就是说，辐射到黑体的热辐射全部被吸收。把反以d = l 代入上式，可得到：m 且且( 旯，t ) = 厂( 兄，t )( 2 2 )式中m b b 乃是指光谱吸收系数为1 的黑体在波长为名、温度为丁时的单色辐射通量，显然：粉砒私( 2 3 )这就是基尔霍夫定律。2 1 2 普朗克辐射定律普朗克定律叙述了黑体辐射的光谱分布，表示为：鸠= 丁2 z h c 2 万b( 2 4 )通常也写成：鸩2 争b( 2 5 )式中：m a 光谱辐射出射度，w c m 2 a m 。a 波长，l a mh 普朗克常数，办= ( 6 6 2 5 6 4 - 0 0 0 0 5 ) x 1 0 出w s 2r 绝对温度，kc 光速，c = ( 2 9 9 7 9 2 5 士0 0 0 0 0 0 3 ) x 1 0 oc m s 一1c l 第一辐射常数，q = 2 z h c 2 = ( 3 7 4 1 5 4 - 0 0 0 0 3 ) x 1 0 4w c m t m 4两安t 业大学 二程硕士学位论文岛第二辐射常数，乞= c h k = ( 1 4 3 8 7 9 - a ：0 0 0 0 1 9 ) x 1 0 4g m - kk 玻耳兹曼常数，k = ( 1 3 8 0 5 4 + 0 0 0 0 1 8 ) 1 0 2 3w j k 一1从零到无穷大的波长范围内，积分普朗克公式，得到辐射出射度从l 平方厘米面积的黑体辐射到半球空间里的总辐射通量的表达式，通常称它为斯蒂芬一玻耳兹曼定律：m ：娑丁4 = c r t 4( 2 6 )1 5 c 2 h 3式中：m 辐射出射度，w c m - 2仃斯蒂芬一玻耳兹曼常数，仃= ( 5 6 6 9 7 4 - 0 0 0 2 9 ) x 1 0 0 2 w c n k 4辐射定律的形式也能以光子的形式给出，这种式子在研究光子探测器的性能时是有用的，如果将普朗克公式( 2 5 ) 除以加卜一个光子的能量，结果就是光谱光子辐射密度：q = 等南= 嘉南泣7 ，式中：q 光谱辐射光子密度，p h o t o n s c m _ 2 l a m d ：2 万c = 1 8 8 3 6 5 x 1 0 2 3j c m 。2 p m 3斯蒂芬一玻耳兹曼定律( 2 7 ) 变为：q ：乓：j 垒3 _ = c r t ，( 2 8 )。c ；2 5 7 9 4 3 6式中：q 辐射光子密度，p h o t o n s 一c m 。2仃，一1 5 2 0 4 1 l o l lj c m k 一3因此，黑体的光子发射速率是随绝对温度的三次方变化的，而不是辐射通量遵从的四次方关系。2 1 3 斯蒂芬波尔兹曼定律在全部波长范围内对普朗克公式积分，就得到黑体辐射出射度与温度之间的关系：m = f m 。d 2 = j c o q 允。( e - c 2 1 2 7 _ 1 ) d 2( 2 9 )1 8 7 9 年，奥地利物理学家斯蒂芬从实验研究中得出：物体的总辐射通量与波长无关，仅与它的绝对温度的四次方成正比。1 8 8 4 年，玻尔兹曼把热力学和麦克斯韦电磁理论综合起来，从理论上证明了斯蒂芬的结论是正确的，从而建立起了斯蒂芬一波尔兹曼理论。由普朗克公式从0n o o 的波长范围积分就得到绝对温度为丁的黑体，单位面积向半球空间发射的全波长范围的辐射通量m ( r ) 与黑体的绝对温度四次方成正比，即西安工业大学工程硕士学位论文m ( t ) = 盯r 4( 2 1 0 )式中。为斯蒂芬一玻尔兹曼常数，这就是斯蒂芬一玻尔兹曼定律。该定律表明：黑体的全辐射的辐出度与其温度的四次方成正比。因此，当黑体温度有很小的变化时，其在单位面积上单位时间内的总辐射能将增大2 4 = 1 6 倍，利用斯蒂芬波尔兹曼定律，容易计算黑体在单位时间内，从单位面积上向半球空间辐射的能量。2 1 4 维恩位移定律该定律用于讨论黑体光谱辐射峰值波长与温度间的关系，可以通过对普朗克公式求极值的方法求得。1 8 9 6 年，维恩从经典的热力学和麦克斯韦分布律出发，导出一个公式，即维恩公式：丸t = 2 8 9 7 9 , u m k( 2 11 )它表示在不同的温度下，峰值波长l m 是不同的；并且随着温度的升高，波长l m 向短波方向移动。2 1 5 最大辐射定律峰值波长对应的最大辐射出射度m 。也可由普朗克公式导出。m a 与温度间的关系是：蚝咱( 肌叫一瑚5式中b = 1 2 8 6 2 x 1 0 1 1 ( w m 2 1 t m - i - k 。5 ) 。该定律指出，波长的最大辐射出射度与温度的五次方成正比。2 1 6 发射本领( 2 1 2 )一定温度下，对应最大辐射上一节中的公式描述了理想黑体的辐射。增加一个因子，就能把它们用于非理想黑体辐射源。这个因子就是发射率，它是辐射源的辐射出射度m 与具有同一温度的黑体的辐射出射度的比值占：竺( 2 1 3 )占= 一l 厶l j )朋故发射本领是一个数字，其值介于非辐射源的零和理想黑体的l 之间，它是材料的种类、表面光滑程度和黑体腔体形状设计的函数，并随腔体参数、波长和材料的温度而西安- t 业大学工程硕七学位论文变。用光谱发射本领( 九) 可写成更普遍的表达式：占= 警= 嘉“蝴当辐射能入射到一个物体表面时，将发生三种过程：一部分入射能量a 2 被吸收；一部分能量胁被反射；一部分能量九被透过。由于能量守恒，则可写出下列关系：a r 五+ 岛+ = 1( 2 1 5 )根据定义，黑体将吸收全部的入射能量，贝l j a a = 1 ，办= = 0 。在研究辐射传输过程中，基尔霍夫发现：在任一给定温度下，辐射出射度和吸收系数之比，对任何材料都是一个常数，并等于该温度下黑体的辐射出射度。这就是基尔霍夫定律，表示为：丝：m( 2 1 6 )再结合( 2 1 0 ) 和( 2 1 6 ) 式，从这里得出：从而也得出，在给定温度下，任何材料的发射本领在数值上等于该温度时的吸收系数，即“好的吸收体也是好的发射体”。2 2 黑体辐射特性我国对黑体的检定是以表征辐射特性【2 5 】，【2 6 1 和温度特性的参数【2 刀来划分等级，辐射特性用黑体有效发射率( 发射率) 来描述，温度特性指黑体的温场均匀性和温度稳定性【2 8 】，【2 9 】。黑体检定主要的判定依据就是发射率，温场均匀性和温度稳定性这三个参数。黑体发射率是指黑体与同温度理想黑体在相同条件下的辐射功率之比，该比值在0 1 之间。由其定义不难理解，发射率是表征黑体辐射本领与理想黑体辐射接近程度的物理量，也就是该黑体模拟理想黑体的精度，它是黑体的辐射腔体开孔大小，腔体材料，腔体形状及离真正等温的差距的函数。由于发射率直接表明黑体辐射特性偏离理想黑体辐射特性的程度，因而我国在黑体的量值传递中，传递的参数是发射率。但当黑体的温度超过1 0 0 0 时，当前仍缺少可用于溯源的凝固点黑体，因此传递黑体发射率就不是一个非常好的办法，再者，国际上的通用方法是传递黑体的等效温度，因此，本文对于1 0 0 0 以上的黑体建议传递黑体的等效温度。基尔霍夫提出的理想黑体模型是一个几乎密闭的等温空腔，b u c k l e y 理论，g o u f f e理论以及s p a r r o w 理论推导的漫射腔发射率计算公式均以等温腔为前提，由此可知等温性即黑体温场均匀性的重要性。实际的黑体辐射出射口尺寸必须满足接收器件的要求，这势必破坏等温性，还会造成辐射腔口的发射率呈环状分布，发射率从中心向外沿逐渐降低。消除这一问题的方法是加大腔长，但这又给保持温场均匀性带来很大的困难。两安工业大学工程硕士学位论文温度稳定性指黑体温度随时间的变化，根据斯忒藩玻尔兹曼定律，黑体的辐射出射度为：m ( 丁) = s 仃t 4( 2 1 8 )式中占为黑体发射率，一般在o 9 5 以上。黑体温度变化引起的辐射出射度变化可近似为：等：4 孕( 2 1 ( 9 )一= f 71 、mt、。由此可见，黑体辐射出射度的精度主要取决于温度稳定性，温度变化应小于辐射出射度变化要求的四分之一。2 2 1 黑体辐射源的温度特性一级标准黑体【3 0 】【3 1 1 和工业黑体应具有以下的温度特性a ) 一级标准黑体应具有的温度特性如下：( 1 ) 黑体稳定到设定温度后，温度稳定性应优于0 2 k h ：( 2 ) 黑体腔有效辐射面的温度均匀性应优于士o 2 k ；( 3 ) 一级标准黑体配备的测温仪表应能直接或间接测量黑体腔有效辐射面的温度，测温不确定度应优于0 0 5 ；b ) 工业黑体应具有的温度特性如下：( 1 ) 黑体稳定到设定温度后，温度稳定性应优于士o 5 k h ：( 2 ) 黑体腔有效辐射面的温度均匀性对于一等应优于o 0 0 1 t ；对于二等应优于o 0 0 2 t ：对于三等应优于0 0 0 3 t ；t 为设定温度值。c ) 一级标准黑体和工业黑体应能在3 小时内稳定到设定温度。2 2 3 黑体辐射源的纵向温场均匀性一级标准黑体和工业黑体的纵向温场均匀性主要靠标准热电偶、冰水混合参考点和数字毫伏表来测定【3 2 1 ，其具有的特性如下：a ) 一级标准黑体纵向温场均匀性s 0 0 0 1 t ( 2 3 l 内) ；腔体有效辐射面其温度均匀性 o 0 0 05 t 。b ) 工业标准黑体纵向温场均匀性s 0 0 1 t ( 2 3 l 内) 。腔体有效辐射面其温度均匀性 o 0 0 5 t 。两安工业大学工程硕士学位论文2 2 2 黑体辐射源的发射率特性一级标准黑体和工业黑体的辐射特性主要由实测的有效发射率来表征。a ) 一级标准黑体的实测有效发射率不小于0 9 9 9 。b 1 工业黑体的实测有效发射率对于一等不小于0 9 9 ：对于二等不小于o 9 8 ；对于三等不小于0 9 5 。2 3 本章小结本章第一部分阐述了黑体及黑体辐射的概念和基本理论，这些都是研究黑体的理论基础，对黑体的研究是围绕基尔霍夫提出的黑体模型进行的，即等温的密闭空腔上开一小孔，小孔的辐射即可近似为黑体辐射。第二部分阐述了黑体辐射源应具有的特性。本章的目的是为以后章节中研究的黑体辐射源校准技术提供一定的理论支持和基础。第三章黑体辐射源的校准理论3 黑体辐射源的校准理论人们研制的各种各样的黑体已广泛服务于国防、航天、气象、工业生产、医疗卫生等领域，怎样对其进行校准就是我们迫切需要解决的问题，本章的黑体辐射源校准理论主要围绕三个方面进行：( 1 ) 黑体辐射源的校准参数；( 2 ) 黑体辐射源的校准原理【3 6 】，【3 8 l ；( 3 )黑体辐射源的溯源体系4 0 】，【4 1 1 。3 1 黑体辐射源校准参数前面已经介绍过，理想黑体在现实生活中并不存在，人们研制的各种黑体，只是理想黑体的近似，所以不可能达到理想黑体等温密闭的要求，其特性就与理想黑体存在一定的差异，而这些差异很难笼统的用某一参数准确描述，因此，对黑体的评价是相当困难的。日本国家计量研究实验室( m u m ) 的服部晋从有效辐射温度的角度来研究黑体腔体非等温性对其辐射特性的影响，有效温度的作用在于综合了腔体内温度分布的影响，是对腔体参考温度的修正，当腔体材料发射率不随波长变化时，摆脱了发射率受温度分布和波长影响的问题，但是，其前提是温度变化较小，当温差较大时就难以成立，因此有效温度概念的应用受到限制。在有效温度概念的基础上，还有学者引入了不等温系数的概念，试图用一个不等温系数描述温度分布的不均匀性，但其理论是基于有效温度的概念，也仍然受到应用限制，没有被广泛认可。目前国际上比较直接，也比较准确的评价方法是采用国际间的比对，1 9 9 4 年，英国国家物理实验室( n p l ) 与美国国家标准与技术研究院( n i s t ) 进行了标准黑体辐射源的比对，在1 0 0 0 - - 2 5 0 0 的温度范围内取得了不大于1 的一致性，1 9 9 5 年，欧共体的7 个国家计量实验室采用辐射测温仪为循环仪器，在多种波长下对标准黑体辐射源进行了比对，修正辐射源尺寸效应后，在8 0 0 - 2 0 0 0 范围内，取得了0 1 的温度一致性。我国在研究的基础上，制订了黑体检定的国家标准j j g 3 0 9 - - 8 3 ( 5 0 0 k - - 1 0 0 0 k 工业黑体辐射源检定规程) ，国防科工委在国家检定规程的基础上，结合国防科技工业的实际需要，制订了国家军用标准，即g j b l 8 2 6 9 3 ( 3 2 3 k 1 2 7 3 k 黑体辐射源检定规程) ，本文依照的就是此规程。黑体辐射源标准装置是国防科工委光学计量一级站建立的国防最高标准，采用国际先进的光学辐射零平衡比对法，负责国防系统中温黑体的量值传递，依据的规程就是g 旧1 8 2 6 9 3 。在g j b l 8 2 6 9 3 标准中，把黑体按照准确度等级分为凝固点黑体( 基准黑体) ，标准黑体和工业黑体。在国防系统内，用凝固点黑体检定标准黑体：用标准黑体检定工业黑体。两安t 业大学工程硕士学位论文黑体辐射源需校准的主要参数有：a ) 黑体辐射源的有效发射率( 5 0 c 1 0 0 0 。c ) ；b ) 黑体辐射源的等效温度( 1 0 0 00 c 2 0 0 0 。c ) ；c ) 黑体辐射源的温场均匀性；d ) 黑体辐射源的温度稳定性。3 2 黑体辐射源校准装置的构成黑体辐射源校准装置的总体设计思想是利用零平衡辐射比对装置，完成黑体有效发射率和等效温度两个参数的测试，这样，整个系统就可以共用一套信号处理系统，节约项目成本。整个系统主要包括以下几个部分：金属凝固点黑体，l s 2 0 0 0 - - 1 0 0 黑体辐射源，s s l 2 5 0标准黑体，光学辐射比对装置，温度测量系统，调整机构，信号处理系统等。本论文中应用的测量器具及配套设备型号和生产厂家为表3 1 所示。表3 ，l标准装置的测量器具及配套设备3 2 1 金属凝固点黑体金属凝固点黑体是以特定的金属材料为工质，以金属纯度来保证金属的熔点温度，处于熔融状态的金属温度则为该黑体的温度，由于复现性好，被认为是黑体溯源链中的自然基准，i t s 一9 0 温标中温段用锡、锌、铝等金属凝固点黑体来定义温度量值的：高温段是用金、银、铜等金属凝固点黑体来定义温度量值的。本项目主要是利用金属凝固点黑体来标定一级标准黑体，再由一级标准黑体来校准工业标准黑体，其基本参数如表3 2 所示：西安工业大学工程