BF-50B、BF-50C黑体辐射源校准的影响因素实验与分析*

武 佳 邢 波 柏成玉 王景辉,3 原遵东 郭沈辉

(1.青岛市计量技术研究院，青岛 266101；2.中国计量科学研究院，北京 100029；3.清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室、二氧化碳资源化利用与减排技术北京市重点实验室，北京 100084)



BF-50B、BF-50C黑体辐射源校准的影响因素实验与分析*

武 佳1,2邢 波2柏成玉2王景辉2,3原遵东2郭沈辉1

(1.青岛市计量技术研究院，青岛 266101；2.中国计量科学研究院，北京 100029；3.清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室、二氧化碳资源化利用与减排技术北京市重点实验室，北京 100084)

BF-50B、BF-50C黑体辐射源的校准扩展不确定度优于0.08℃才能满足红外体温计的现场校准需求。通过改变黑体辐射源标准装置的使用状态，针对辐射源的水平与垂直分布扫描测量定位的重复性、黑体辐射源标准装置控温和短期稳定性、环境温度对校准结果的影响等因素设计了不同实验，通过校准获得BF-50B、BF-50C校准结果的差异，并作为评定校准不确定度的依据。最终计算得出黑体辐射源的校准扩展不确定度优于0.08℃(k=2)，从而验证了该标准装置的校准可靠性。

BF-50B；BF-50C；黑体辐射源；校准；不确定度；可靠性

0 引言

自2003年以来，SARS病毒、甲型流感病毒、禽流感病毒以及肆虐非洲的埃博拉病毒相继爆发，且疫情爆发的间隔时间越来越短。由于上述病毒具有传染性强和被传染者发病后发热的特点，因此可以通过对特定公共场所大流量人群采用快速、非接触的红外测温仪筛检发热个体。为了校准在机场、火车站、医院和商场等人群聚集地区的红外测温仪，中国计量科学研究院相继研制了BF-50B和BF-50C黑体辐射源(以下简称BF-50B/C)用于红外测温仪的亮度温度现场校准。并且建立了黑体辐射源标准装置用于BF-50B/C的校准，初步评定的校准的扩展不确定度优于0.08℃。

该标准装置中的被校黑体辐射源性能、比较用辐射温度计性能和程控平移台的定位重复性等都可能会对校准结果的不确定度产生影响。本文对影响校准实验的标准黑体辐射源、亮度温度比较仪器和被校黑体辐射源的性能水平进行了实验测试，验证了校准不确定度。

1 黑体辐射源校准装置的结构与原理

黑体辐射源标准装置[1](以下简称标准装置)的主标准器为铂电阻温度计(编号：03644)，配套设备包括恒温槽(编号：11107)与黑体空腔组成的水槽黑体、比较温度计(Raytek TX CLTFS)、自动转台(如图1)。其中，铂电阻温度计检定结论符合二等标准；黑体空腔为自加工，发射率ε>0.999，该标准的有效亮度温度[2](简称亮度温度)可由铂电阻温度计测量的数值通过公式计算获得。比较温度计安装在转台上，转台可在俯仰方向180°转动，转台安装于由步进系统控制的平移台上，该平移台可沿X轴移动，将传递温度计推送至工作位置，通过平移台系统使比较温度计可以自动分别采集标准黑体和被校黑体的亮度温度。标准装置配备可控温光阑，光阑直径为比较温度计视场的1.5倍。在校准黑体辐射源BF-50B[3](编号：200305003)和BF-50C (编号：20090564)时，使用比较温度计过渡的方法，将标准装置的亮度温度传递到被校辐射源。

图1 黑体辐射源标准装置示意图

2 实验方法及结果

为了明确黑体辐射源标准装置的技术性能，分别设计试验对标准黑体辐射源的控温和短期稳定性、比较温度计工作环境温度对校准结果的影响、移动台的平移重复性以及典型被校黑体的性能进行测试。

2.1 被测黑体辐射源的性能验证

2.1.1 黑体辐射源温场均匀性测试

使用TRT3.82温度计[4](编号：2879)在以BF-50B/C腔底中心点为圆心的φ=20mm圆周上取上下左右4点测试均匀性。温场均匀性取各点与中心点温度之差绝对值的最大值。测试结果如表1所示。

表1 BF-50B/C靶面均匀性测试结果 ℃

2.1.2 被校黑体辐射源的短期稳定性

分别在30℃、36℃、50℃测量点测试黑体辐射源的短期稳定性，在第一次测试后的第3天再测试一次，以此类推共测试3次，每次采集5个数据， 3次测试的平均值的极差即为仪器在该温度点的短期稳定性，测试结果如表2所示。

表2 BF-50B/C短期稳定性 ℃

2.2 标准黑体温度均匀性、控温稳定性测试

在30℃、36℃、50℃温度点参照JJF 1030—2010[5]测试恒温槽工作区域的均匀性和稳定性。测试结果如图2～4；

图2 上表面温度均匀性

图3 下表面温度均匀性

图4 控温稳定性结果

2.3 光阑温度对黑体辐射源亮度温度测量结果的影响

两个恒温光阑使用一个泵式水槽进行控温，同时水槽与光阑使用相同软管连接，水槽控温稳定性小于0.1℃，以此来保证两光阑温度的一致性。

在黑体辐射源30℃测量点上，将光阑控温水槽温度设置19.5℃，在控温水槽达到预设温度稳定10min后开始测试黑体辐射源的亮度温度，采集5次数据并取平均值。按照上述方法测试光阑温度为20.0℃和20.5℃时黑体辐射源的亮度温度，取在上述三个光阑温度点上被校黑体辐射源亮度温度平均值的极差，即为不同光阑温度对被校黑体辐射源亮度温度测量结果的影响。同理测试黑体辐射源在36℃、50℃测量点上，光阑温度变化对黑体辐射源亮度温度测量一致性的影响，测试结果如表3所示。

表3 光阑温度变化对测温一致性影响 ℃

2.4 平移台系统的性能测试

在测量过程中，平移台连续移动会产生累计误差，若累计误差过大，会使比较温度计的瞄准位置发生变化，为了评估平移台累计误差对校准结果的影响，设计以下实验。

2.4.1 平移台零位重复性和平移重复性测试

使用分辨力0.01mm，测量范围0～50 mm的百分表(编号：5738)测量平移台的零位重复性和平移重复性。设置平台移动10mm，百分表测量位移并记录，再设置平移台移动10mm，使用百分表测量位移并记录，重复此操作过程直至平移台累计移动40mm，此时设置平移台归零，百分表测量并记录此时的零位，完成测量。重复上述测量过程10次，取10次测量数据的标准偏差作为平移台的平移重复性和零位重复性。记录的实验数据如表4所示。

表4 连续平移、回零一致性测量结果 mm

分析数据发现，连续移动过程中，移动距离越远，与名义值偏离越大，可能是由于累计误差造成的。然而，根据温场均匀性测试结果，φ=20mm范围内温度均匀性不超过0.02℃，因此该累计误差对测量结果的影响可以忽略不计。

2.4.2 BF-50B、BF-50C中心自动瞄准的重复性

将被校黑体辐射源和标准装置温度设置为30℃，光阑温度设置为20℃，待达到预设温度稳定10min后分别在黑体辐射源光阑中心附近水平(X轴)和垂直(Y轴)扫描，测量光阑口亮度温度分布；分别由亮度温度轮廓确定中心的水平和垂直坐标；结果见表5。光阑中心位置扫描的重复性不超过0.02mm。

表5 黑体辐射源光阑中心位置扫描结果 mm

2.4.3 黑体辐射源光路扫描重复性对亮度温度测量结果的影响

在30℃、36℃和50℃温度点上测量BF-50B/C的亮度温度，每个温度点采集5次数据，取平均值。测量完成后重新扫描确定光阑中心位置，对BF-50B和BF-50C重复上述测量过程，取两次测量结果平均值的差即为光路扫描重复性对亮度温度校准结果的影响，测量结果如表6所示。结果表明，两次实验结果有较好的重复性，不超过0.04℃。

表6 黑体辐射源光路扫描重复性对亮度温度测量结果的影响 ℃

2.5 比较温度计工作环境温度对黑体辐射源亮度温度测量结果的影响

当比较温度计的工作环境温度发生变化时，其线性漂移ΔUn[6]会发生变化，最终导致k系数发生变化。为了保证在整个分度过程中比较温度计的性能稳定(即k系数不发生变化)，为比较温度计制作一个控温空腔，使其能够在(30±0.1)℃的温度环境下工作。

将比较温度计的工作环境温度控制在29.5℃，在达到预设温度10min后开始测试黑体辐射源的亮度温度，采集5次数据并取平均值。按照上述方法测试温度计在工作环境温度为30.0℃和30.5℃时测量黑体辐射源的亮度温度，分别取各组的平均值之后求极差，即为不同工作环境温度下黑体辐射源亮度温度测量的一致性。同理测试黑体辐射源在36℃、50℃测量点上，温度计工作环境温度对黑体辐射源亮度温度测量一致性的影响，测试结果如表7所示。

表7 比较温度计工作环境温度对黑体辐射源亮度温度测量结果一致性的影响 ℃

测试结果表明比较温度计在30℃、36℃和50℃温度点上，工作环境温度变化在±0.5℃范围内对黑体辐射源亮度温度的测量的一致性不超过0.05℃。

3 校准不确定度的评定

根据JJF1059.1[7]以BF-50B为被校对象，进行校准不确定度评定。考虑了计量标准、被校对象和比较测量三大类共11个分量，见表8。

其中，黑体空腔有效发射率不同引入的不确定度为u5。当环境温度为20℃、黑体辐射源发射率为e时，黑体辐射源亮度温度与其实际温度的差异ΔtVε可用以下公式[8]计算:

u(tVε)≈200·u(ε)·|ΔtV0.995|

式中：ΔtV0.995为0.995发射率引起的亮度温度误差。

标准装置黑体空腔有效发射率e大于0.999，则u(ΔtVε)1=0.008℃，BF-50B黑体空腔有效发射率e大于0.997[1]，则u(ΔtVε)2=0.023℃。

u5=|u(ΔtVε)1-u(ΔtVε)2|=0.015℃

各标准不确定度分量汇总如表8所示。

表8 标准不确定度分量汇总

各分量相互独立，则合成标准不确定度

扩展不确定度U=0.033×2=0.066℃，k=2。

同理，BF-50C校准结果的扩展不确定度U=0.056℃，k=2。由于BF-50C在短期稳定性、光路扫描重复性及比较温度计工作环境温度对校准结果的影响上均优于BF-50B，因此其校准结果的扩展不确定度小于BF-50B。

4 结论

测试表明标准黑体辐射源的温度均匀性和控温稳定性均优于0.004℃，BF-50B/C的短期稳定性和靶面均匀性分别优于0.05℃和0.02℃，光路瞄准重复性优于0.04℃，比较温度计工作温度变化对校准结果影响优于0.04℃，光阑温度波动对校准结果影响优于0.03℃。上述测量结果保证了被校黑体辐射源的扩展不确定度优于0.08℃。

5 讨论

由于BF-50B/C的校准采用的是比较分度法，当标准与被校黑体辐射源亮度温度越接近时，所获得的测量结果越准确，因此标准装置温度偏离名义温度的程度多少是否会对校准结果产生影响，本文尚未做研究。除此之外，在不确定度评定的几种分量的评定中，忽略了测量重复性对其的贡献，使得在标准不确定度合成时测量重复性的影响实际上被多次引入，致使最后的评定结果被放大，但是也保证了实际的校准不确定度必定优于所计算的结果。在之后的工作中，还可以继续设计相关重复性测量的试验，得到的相关重复性结果作为单独的分量引入标准不确定度的评定。

[1] 王铁军,原遵东,王景辉,等.黑体辐射源标准装置研制[R].中国计量科学研究院，2010

[2] 原遵东.有效亮度温度理论[J].计量学报，200930(6)：493-497

[3] 王铁军,原遵东,段宇宁,邢波.BF-50B黑体辐射源装置的研制[J]. 现代科学仪器, 2003(4):23-25

[4] Ortwin Struβ. Transfer Radiation Thermometer Covering the Temperature Range from -50℃ to 1000℃[J].CP684,Temperature: Its Measurement and control in science and Industry,2003(7):565-570

[5] JJF 1030—2010 恒温槽技术性能测试规范[S]

[6] 王景辉,原遵东,柏成玉,王铁军.采用统计方法减小黑体辐射源比较分度噪声等效温差[J].计量学报,2007,28(3A):112-114

[7] JJF 1059.1—2012 测量不确定度评定与表示[S]

[8] 原遵东,邢波,柏成玉,傅成玉,陈桂生.有效亮度温度测量中发射率影响的修正[J].计量学报，2014,35(6)：578-582

*国家质量监督检验检疫总局应急专项(项目编号AFHN1)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.09.01