红外额温计的高精度黑体辐射源的设计与试验

朱经国,杨峻涛,张军,孙斌,刘贤喜,张开兴

红外额温计的高精度黑体辐射源的设计与试验

朱经国1,杨峻涛1,张军2,孙斌3,刘贤喜3,张开兴3*

1. 甘肃省计量研究院, 甘肃 兰州 730070 2. 泰安磐然测控科技有限公司, 山东 泰安 271000 3. 山东农业大学机械与电子工程学院, 山东 泰安 271018

针对我国红外额温计校准设备在疫情环境下难以满足当前校准精度要求的问题，本文设计并研制了一种应用于红外额温计校准的高精度黑体辐射源。首先，对黑体辐射源的原理和整体结构进行阐述，确定了黑体辐射腔等关键部件的设计参数；其次，对黑体辐射腔的温度均匀性进行了静态热仿真，并通过公式完成了黑体空腔发射率的近似计算，验证了结构的可行性；最后，对黑体空腔和配套恒温槽进行了性能测试试验，得到该设备温度均匀性为0.01 ℃，稳定性≤0.01 ℃/10 min，黑体腔发射率≥0.997，满足JJF1107《测量人体温度的红外温度计校准规范》要求。

额温计; 黑体辐射腔; 仿真分析; 样机试验

红外额温计在使用时，存在测量值与标准值有所偏离的情况，为了满足使用要求，必须定期对红外额温计进行校准。黑体辐射源是校准红外额温计的关键设备，其辐射特性接近理想黑体（即可以辐射出自身温度下的标准波长辐射），黑体辐射源可使红外额温计的量值得以精确标定。黑体辐射源的性能影响了红外额温计校准的准确性和可靠性[1,2]，因此，对黑体辐射源的研究显得尤为重要。

近几年，国内外研究学者和机构对黑体辐射源进行了大量的研究。Parmar N等[3]使用CST Microwave Studio对高温黑体辐射面板的各项参数进行了设计，计算了发射值并对发射器和加热器进行设计和优化；Bae JY等[4]设计了便携式面黑体辐射源系统，使用基于碳纤维热源来实现温度均匀分布，由绝缘材料嵌入在加热元件的另一侧，以减少热量损失；赵亿坤等[5]在黑体辐射腔内壁设计V型槽改变黑体辐射源有效发射率，证明了带V型槽的黑体辐射腔可有效提升发射率；刘培等[6]在辐射腔表面增加扰流结构，此设计缩短了达到热平衡时间，但被动扰流结构的增加对黑体辐射腔原本结构造成了破坏，进而影响温度均匀性。

疫情防控工作中红外额温计的使用量往往较多，现存多数黑体辐射源设备的温场稳定性较差，难以满足当前红外额温计的校准需求，且没有配套恒温槽。针对上述情况，本文设计并研制了红外额温计校准用黑体辐射源，以满足校准工作对发射率、温场稳定性和温场均匀性的要求，并通过试验验证其性能。

1 黑体辐射源原理及整机结构设计

1.1 黑体辐射源工作原理

已知自然界中一切物体都在以电磁波形式向外投射能量，这种能量称为辐射能。同种物质特性下，辐射能只跟温度有关，因而被称为热辐射[7,8]。为了研究不依赖物质特性的热辐射规律，定义了理想黑体，即热辐射到达该物体表面后不会发生反射和透射，且将任何波长辐射全部吸收的物体。

人工黑体的结构大多为开有小孔的不透明空腔（透射为0），其内表面涂有高吸收率涂层，每当热辐射透过小孔进入空腔后，会在不断反射中被高吸收率涂层尽数“消化”，因此可以认为小孔为近似黑体，通过小孔发出的辐射近似为黑体辐射[7-9]，该空腔称为黑体辐射腔。黑体辐射源工作原理如图1所示，黑体辐射源是利用恒温槽为黑体辐射腔提供稳定温场，温度标准器用以测量恒温槽工作腔内介质的温度，其示值作为待校准红外额温计测量值参考，为校准红外额温计提供依据。

图 1 黑体辐射源工作原理

1.2 黑体辐射源整机结构设计

红外额温计校准用黑体辐射源装置主要由黑体辐射腔、液体恒温槽和温度标准器组成，整机结构示意图如图2所示。黑体辐射腔是校准红外额温计的关键部件，其结构及内部涂层的质量对校准结果有着重要影响。液体恒温槽装置，用于放置并浸没黑体辐射腔，使辐射腔的各个表面具有优异的温度均匀性及温度稳定性，用以提供高精度温场。标准温度计用于测量黑体辐射腔的温度，为待校红外额温计的测量值提供了参考标准。

1.液体恒温装置 2.温度标准器 3.法兰 4.黑体辐射腔

2 黑体辐射源关键部件设计

2.1 黑体辐射腔总体结构设计

黑体辐射腔是黑体辐射源的核心部件，对黑体辐射腔的研究大体可分为：黑体辐射腔的结构设计、黑体辐射腔的有效发射率计算和如何实现更好的温度均匀性。黑体辐射腔腔型及结构的设计通常受到实际加工、均匀加热难易程度、有效发射率以及经济性方面的影响，并且黑体辐射腔的有效发射率是评价其性能的重要参数，与腔体的材料、结构以及内部的等温程度有关[7]，所以三者之间也互有影响。黑体辐射腔腔型选择圆锥-圆柱形腔体，相比于球形腔，圆锥-圆柱形制作简单，且相比圆柱形和锥形腔体可获得更好的有效发射率。关于腔体材料，一般要求材料表面易于附着高发射率涂层、有较高的导热能力和较好的抗氧化能力。结合以上要求，选取紫铜作为腔体材料。

黑体辐射腔由紫铜制作成型，腔长300mm，开口直径50mm，底部圆锥角120°，其外形如图3所示。该辐射腔腔体外表面采用镀金工艺，能够有效阻隔外壁的氧化，内部附着高发射率涂层[2]。

图 3 黑体辐射腔3D渲染图及内部结构图

为验证黑体辐射腔的结构合理性，对其进行了有限元仿真。模拟过程中对模型中的微小缝隙特征进行简化。由于黑体辐射腔置于恒温槽内，则认定为恒温环境，恒温槽工作腔为绝热材料；黑体辐射腔初始温度设置为299K（26℃左右），紫铜导热系数为390W/(m·k)，仿真软件中将恒温槽内介质视为热源；黑体辐射源法兰处设置为与空气直接接触，对流换热系数为25W/m2·K。通过中等大小的自由四面体划分网格，对重点部分局部加密，平均网格质量0.82，满足计算要求[10-13]。因为红外额温计用黑体辐射源主要工作区域为30℃～50℃，所以仿真温度点为303.15K、313.15K和323.15K，仿真结果如图4所示。

仿真结果显示：在理想恒温状态下，随着温度升高，轴向温差逐渐增大，在303.15K和323.15K时轴向温差最大分别为0.001K和0.007K。通过探针沿轴向选取温度点，可以看出温差较大的区域主要在空气接触部分，下部腔体的温度均匀性比较好，满足使用要求。

图 4 黑体辐射腔仿真结果

黑体辐射腔的另一指标是有效发射率，它反映了黑体辐射腔与理想黑体的接近程度。有效发射率的计算方法有许多种，其中多次反射法运算简单，被广泛应用于黑体辐射腔的设计。由于黑体辐射腔置于温度均匀的恒温槽中，腔体表面温度均匀；又因其内壁涂有高发射率涂层，假设内壁为理想漫反射[2]，则模拟黑体辐射腔的发射率可表示为：

式中：0—腔壁材料发射率；´—开口面积；—腔内壁面积(包括开口面积)；Ω—黑体开口面积对应立体角；—黑体空腔开口半径；—黑体腔长。

通过有限元仿真可知，黑体辐射腔轴向温度均匀，以此为前提，代入腔体各项结构参数，可计算出黑体法向空腔发射率为0.997，该数值满足JJF1107要求。

2.2 液体恒温槽总体设计

理想黑体应是温度均匀的，但实际应用中的黑体辐射源内部温场不均匀，这将直接影响校准精度。为了尽可能保证黑体辐射源的性能，研制了高精度控温的液体恒温槽。

该液体恒温槽内部腔体分为搅拌区和工作区两部分，搅拌区通过控温模块控制加热/制冷组件对介质进行温度控制，可提供温度范围为20～90℃，采用侧向搅拌的结构形式和垂直、水平方向的介质循环方式，在工作区内形成了一个均匀、稳定的温度源，黑体辐射腔即位于此区域。两区域的上、下两端相通，除两端外其余为分隔状态，这样可以减少搅拌区对工作区的温度影响。整个内部腔体包裹在隔热层中，减少了外部环境对恒温槽内部温场的影响[14,15]。内部腔体示意图如图5所示。

图 5 恒温槽内部腔体示意图

该恒温槽主要有以下技术特点：体积小、便于移动；采用精密控温模组，分辨力0.001℃；操作简便、触摸屏显示直观；具备定时功能，减少控温过程人工等待时间；断电记忆功能；智能化自动控温功能。主要技术指标如表1所示。

表 1 恒温槽技术指标

3 黑体辐射源温场及腔体亮度温度校准试验

黑体辐射源温场质量和腔体亮度温度是影响红外额温计的校准结果的重要因素，其中亮度温度是在指定波长范围，被测辐射体的辐射亮度与黑体的辐射亮度相同时黑体的温度。试验基于《恒温槽技术性能测试规范》和《辐射测温用-10℃～200℃黑体辐射源校准规范》对所研制黑体辐射源设备进行性能测试。

3.1 温度标准器的选型

标准数字温度计作为黑体辐射源用参考温度值来源，其具有高准确度、高稳定性的特点。本次黑体辐射源配套温度标准器选用泰安磐然测控科技有限公司PR712A标准数字温度计，具有优异的长期稳定性，全系列产品的年变化均优于0.05℃。PR712A型产品内置参考级的标准电阻，全量程年变化优于0.01℃，可直接通过液晶屏显示温度值。

图 6 PR712A标准数字温度计

3.2 液体恒温槽稳定性和均匀性测试试验

由于黑体辐射腔壁厚较小且紫铜材料导热较好，浸泡于液体恒温槽中后，温度稳定性和均匀性主要受恒温槽中介质温度影响，仅空气对流换热影响很小可以忽略，故直接测量恒温槽的温度稳定性和均匀性，均匀性测试示意图如图7所示。

稳定性：本次恒温槽温场稳定性试验，测试温度点选择为30 ℃和50 ℃，将其中一支温度计测量端置于工作区域1/2深度位置，待恒温槽首次达到设定温度点后保持15 min才可读数。在10 min内，以每分钟6次的均匀间隔读取示值。取最值之差，即为恒温槽在该段时间内的波动值，其反应了恒温槽的稳定性。

图 7 均匀性测试示意图

从恒温槽稳定性和均匀性测试结果（表2）可以看出该性能满足《恒温槽性能技术测试规范》要求。

表 2 恒温槽稳定性与均匀性测试结果

3.3 黑体辐射腔温度校准试验

3.3.1 校准原理本次试验采用比较法，以标准黑体辐射源为参考，辐射温度计为比较器，校准本项目研制的黑体辐射源亮度温度，如图8所示。将校准和被校准黑体辐射源保持在相同温度后一段时间，用辐射温度计分别对标准、被校黑体辐射源进行测量，得到两者的亮度温度示值。根据公式(2)计算被校黑体辐射源的亮度温度[17]：

式中：T—被校黑体辐射源的亮度温度；T标准黑体辐射源的亮度温度；T—辐射温度计测量标准黑体辐射源的亮度温度值；Tr—辐射温度计测量被校准黑体辐射源的亮度温度值；ΔT—T与T的差。

标准黑体辐射源亮度温度由公式(3)得出：

式中：L(λ,T)—黑体光谱辐射亮度；λ2,λ1—辐射温度计工作波段的上、下限；Ts—标准黑体辐射源亮度温度；Tt—标准铂电阻温度计测量的实际温度；Tam—标准黑体辐射源所处环境温度（近似采用光阑温度）；εs—标准黑体辐射源的有效发射率。

3.3.2 测量内容比较测量为每个温度点3组，每组分别对标准黑体和被校黑体进行6次测量记录，包括辐射温度计示值以及标准铂电阻示值；每组测量中，标准黑体与被校黑体采取交替并间隔30s的方式进行[17]。

3.3.3 数据处理（1）计算每次比较测量的T和ΔT。

（2）根据下式计算T和ΔT的平均值。

（3）根据公式(6)计算T。

所研制红外额温计黑体辐射源测试结果见表3，可以看出在有效的精确度以内，被校准黑体辐射源亮度温度十分接近标准铂电阻温度计示值，完全满足对于额温计的校准。最终对校准效果进行了检验，图9所示。

表 3 黑体辐射腔测试结果

图 9 红外额温计校准效果检验

4 结 论

（1）设计了一种红外额温计用高精度校准装置，解决了目前国内多数黑体辐射源设备难以满足红外额温计校准要求的问题；在现行标准下，满足了疫情防控工作中需要校准的红外额温计数量多、时间紧、任务重的要求；并对关键部件进行了仿真分析，给出了发射率计算方法，确定了结构和参数；

（2）通过Ansys软件进行了黑体辐射腔传热仿真试验，分析了黑体辐射腔在恒温槽中的受热温度均匀性问题；通过公式计算，近似得到了黑体辐射腔的有效发射率。试验验证了液体恒温槽的温度稳定性和均匀性，并对黑体辐射腔亮度温度进行了校准试验，最终校准结果满足预期。

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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

甘肃省自然科学基金(21JR7RA685);山东省科技型中小企业创新能力提升工程项目(2021TSGC1369);泰安高新区加快科技成果转化促进新动能培育计划(KJD202014);泰安市科技创新发展项目(2021GX015)

朱经国(1965-),男,本科,教授级高级工程师,主要从事温度计量研究工作. E-mail:1257603799@qq.com

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

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.06.025