一种黑体辐射源及其温度控制方法、温度控制设备与流程

1.本发明涉及测量仪器量值溯源领域，具体涉及一种黑体辐射源及其温度控制方法、温度控制设备。


背景技术：

2.腔式黑体辐射源作为计量标准装置,在校准实验室中用于对光谱辐射测量仪器进行量值溯源。腔式黑体辐射源是理想黑体的一种近似体，其光谱有效发射率均接近1。根据黑体辐射理论，要求黑体辐射源腔体内部的温度是相等的，所以又被称为等温黑体。腔体内部温度相等的黑体辐射源腔口的辐射能量符合普朗克定律，其复现的光谱辐射可以作为标准装置对光谱辐射测量仪器进行量值传递。
3.而实际使用的黑体辐射源腔体内部的温度不可能做到完全相等，只能通过控温技术使其温度均匀度尽量的小，从而减小温度均匀度引入的不确定度分量对光谱辐射测量结果的影响。为了提高黑体腔内部温度均匀性，目前采用的方法是在黑体辐射源腔体内部布置硅碳棒、硅钼棒等加热棒，并进行温度控制。由于腔底的形状限制，无法直接放置加热棒，因此腔底温度的升高或降低是通过腔体热传导实现的。
4.由于光谱辐射测量仪器在进行量值溯源时，通常瞄准黑体辐射源腔底，因此采集的温度即腔底的温度。可是，发明人经过长期的实践发现上述方式对光谱辐射测量仪器进行量值溯源时仍然存在较大的误差。


技术实现要素：

5.鉴于上述黑体辐射源对光谱辐射测量仪器进行量值溯源的方式存在误差的问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种黑体辐射源及其温度控制方法、温度控制设备。
6.依据本发明的一个方面，提供一种黑体辐射源，包括黑体腔以及加热模块；所述黑体腔包括：侧壁、腔底以及开口端，所述侧壁的一端位于所述开口端，所述侧壁的另一端与所述腔底连接；其中，所述开口端与所述腔底相向设置；所述加热模块包括：第一加热部以及至少一个第二加热部；其中，所述第一加热部一体成型于所述腔底的内部，至少一个所述第二加热部一体成型于所述侧壁的内部；所述第一加热部以及第二加热部分别用于向所述黑体腔的侧壁以及腔底提供热能以均匀加热所述黑体腔。
7.较佳的，所述的黑体辐射源还包括：功率输出模块、温度采集模块、温度处理模块以及功率控制模块；所述功率输出模块电性连接所述加热模块，用于向所述加热模块提供加热功率；
8.所述温度采集模块设置于所述黑体腔上，用于采集所述黑体腔的温度以提供给所述温度处理模块；
9.所述温度处理模块电性连接所述温度采集模块，用于根据所述温度采集模块采集的所述黑体腔的温度以获取所述黑体腔的温度值；
10.所述功率控制模块电性连接所述温度处理模块以及功率输出模块，所述功率控制模块用于获取所述温度处理模块输出的所述黑体腔的温度值与预设温度值之间的差值，并根据所述差值控制所述功率输出模块输出相应的加热功率以使所述黑体腔的温度值与所述预设温度值相等。
11.较佳的，所述加热模块包括三个第二加热部，三个所述第二加热部均匀分布在所述侧壁的内部。
12.较佳的，所述黑体腔还包括：位于所述腔底的第一安装孔以及位于所述侧壁上且与所述第二加热部所在位置对应的三个第二安装孔；
13.温度采集模块包括：第一温度传感器模块以及与三个所述第二加热部所在位置对应的三个第二温度传感器模块；
14.所述第一温度传感器模块置于所述第一安装孔内，三个所述第二温度传感器模块分别置于三个所述第二安装孔内。
15.较佳的，所述第一加热部为第一电阻丝，所述第二加热部为第二电阻丝，所述第一电阻丝均匀的螺旋盘绕并浇铸在所述腔底的内部以与所述腔底一体成型；三个所述第二电阻丝均匀的螺旋盘绕并浇铸在所述侧壁的内部以与所述侧壁一体成型。
16.较佳的，所述腔底的内壁形成一圆锥体，所述第一安装孔的一端正对所述圆锥体的顶点，所述第二安装孔垂直于所述侧壁。
17.较佳的，所述第一温度传感器模块以及第二温度传感器模块为以下之一：热电阻和热电偶。
18.依据本发明的另一个方面，提供一种温度控制设备，所述温度控制设备包括如上任意一项所述的黑体辐射源。
19.依据本发明的另一个方面，提供一种黑体辐射源的温度控制方法，应用于一黑体腔，所述黑体腔包括侧壁、腔底以及开口端，所述方法包括：
20.通过加热模块分别向黑体腔的侧壁以及腔底提供热能以均匀加热所述黑体腔；所述侧壁的一端位于所述开口端，所述侧壁的另一端与所述腔底连接；所述开口端与所述腔底相向设置；
21.其中，所述加热模块包括：第一加热部以及至少一个第二加热部；所述第一加热部一体成型于所述腔底的内部，至少一个所述第二加热部一体成型于所述侧壁的内部。
22.较佳的，所述方法还包括：
23.采集所述黑体腔的温度；
24.根据所述黑体腔的温度获取所述黑体腔的温度值；
25.获取所述黑体腔的温度值与预设温度值之间的差值；
26.根据所述差值控制所述第一加热部以及至少一个第二加热部分别向黑体腔的侧壁以及腔底提供相应的热能以使所述黑体腔的温度值与所述预设温度值相等。
27.本发明的一种黑体辐射源及其温度控制方法在长期实践观察发现原有的方案在量值溯源时存在误差的基础上找到了其原因在于原有黑体腔的内部温度不均匀导致的，因此通过在腔体中不同的位置以及腔底的位置布置独立的加热模块，对保障整个黑体辐射源腔体内部温度均匀性，进一步提供光谱辐射测量仪器量值溯源的质量有重要的意义和保障。
28.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为本发明实施例中一种黑体辐射源的剖面结构示意图；
31.图2为本发明又一实施例中一种黑体辐射源的结构示意图；
32.图3为本发明另一实施例中一种黑体辐射源的剖面结构示意图。
33.【附图标记说明】
34.1、黑体腔；3、功率输出模块；4、温度采集模块；5、温度处理模块；6、功率控制模块；10、侧壁；11、腔底；12、开口端；20、第一加热部；21、第二加热部；30、第一安装孔；31、第二安装孔。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。为了便于理解本发明，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，本领域技术人员应当理解，下述的说明只是为了便于对发明进行解释，而不作为对其范围的具体限定。
36.本发明实施例提供一种黑体辐射源，包括：黑体腔以及加热模块；
37.如图1所示，所述黑体腔包括：侧壁10、腔底11以及开口端12，所述侧壁10的一端位于所述开口端12，所述侧壁10的另一端与所述腔底11连接；其中，所述开口端12与所述腔底11相向设置。
38.所述加热模块包括：第一加热部20以及至少一个第二加热部21；其中，所述第一加热部20一体成型于所述腔底11的内部，至少一个所述第二加热部21一体成型于所述侧壁10的内部；所述第一加热部20以及第二加热部21分别用于向所述黑体腔的侧壁10以及腔底11提供热能以均匀加热所述黑体腔。
39.通过本发明上述实施例所述的黑体辐射源，在其腔底和侧壁分别供给热能可以均匀的加热所述黑体腔的内部，使得整个黑体辐射源腔体内部温度均匀，尤其是提高腔底部位的温度均匀性有很大的作用，进一步提高光谱辐射测量仪器量值溯源的质量。
40.在本发明具体的实施例中，所述黑体腔的形状为一端开口、内部中空的长方形腔体，开口端12与腔底11之间通过侧壁10的两端连接以形成一整体。其中，黑体腔的径向长度大于口径，即侧壁的长度大于开口端的直径，径向长度也即开口端距腔底的距离。开口端12与所述腔底11相向设置，以方便进行光谱辐射测量仪器量值溯源。
41.光谱辐射测量仪器在进行量值溯源时，通常瞄准黑体辐射源腔底进行温度采集，而由于黑体腔的径向长度较长，因此本发明实施例中在腔底以及侧壁处均设置加热部以均匀加热整个黑体腔。具体而言，第一加热部20一体成型于所述腔底11的内部，至少一个所述第二加热部21一体成型于所述侧壁10的内部，以排除加热模块在后续安装过程中出现没有预留合适的安装位置、安装位置不合理而导致温度传递出现问题。较佳的，所述第二加热部的个数依据所述黑体腔径向长度决定。当黑体腔的径向长度较长时，选用较多个数的第二加热部以向所述黑体腔提供均匀温度。较佳的，本领域的技术人员可根据黑体辐射源辐射口径及发射率要求，设计黑体腔口径及腔内结构，因此并不以本发明实施例为限。
42.较佳的实施例中，如图1所示，所述第一加热部20为发热丝，该发热丝以所述腔底11为平面环形盘绕在所述腔底内部；所述第二加热部21也采用发热丝实现，该发热丝环绕着所述侧壁10的周向螺旋式盘绕在所述侧壁内部。
43.在一个优选的实施例中，黑腔体内部可通过阳极化处理或喷涂高发射率涂层的方式，进一步提高黑体辐射源有效发射率，使黑体辐射源发射率大于99％。
44.在一个优选的实施例中，黑腔体外部设计隔热结构，用于防止热能损耗，保持黑体腔温度均匀性；同时也避免黑体辐射源的外壳体温度过高。在一个实施例中，腔体外部设计莫来石隔热结构。
45.在一个具体的实施例中，所述黑体腔的径向长度为口径的10倍。例如，径向长度为300mm左右，黑体腔的口径即为30mm左右，因此为了提供均匀的热能，所述第二加热部以至少三个为宜。参考图2所示，以三个第二加热部为例，所述黑体腔辐射源包括：黑体腔1与加热模块；其中，所述加热模块进一步包括：第一加热部20以及三个第二加热部21；其中，所述第一加热部20一体成型于所述黑体腔1的腔底的内部，三个所述第二加热部21一体成型于所述黑体腔1的侧壁的内部；所述第一加热部20以及第二加热部21分别用于向所述黑体腔的侧壁以及腔底提供热能以均匀加热所述黑体腔。
46.所述的黑体辐射源还包括：功率输出模块3、温度采集模块4、温度处理模块5以及功率控制模块6。其中，包含4个所述功率输出模块3，一个所述功率输出模块3电性连接一个第一加热部或第二加热部，以向所述第一加热部20或第二加热部21提供加热功率，一个温度采集模块4与一个第一加热部20或第二加热部21连接，以获取每个第一加热部20或第二加热部21的温度，因此功率输出模块3的个数与第一加热部20、第二加热部21的个数总和一致，且与温度采集模块4的个数一致。即在本实施例中，一个第一加热部20和三个第二加热部21分别连接一个功率输出模块3，则总共包含四个功率输出模块3以及四个温度采集模块4。所述功率输出模块3用于向所述加热模块中每个独立的第一加热部20及第二加热部21提供加热功率，以便第一加热部20及第二加热部21独立且有效地将电能转化为热能，分别对所述黑体腔的侧壁10以及腔底11加热，形成温度均匀的黑体腔。
47.所述温度采集模块4设置于所述黑体腔上，用于采集所述黑体腔的温度以提供给所述温度处理模块5；因此温度采集模块4的个数与第一加热部20、第二加热部21的个数总和一致，且与功率输出模块3的个数一致，具体选择功率输出模块与温度采集模块的个数需根据实际情况而定。其中，温度采集模块4可以采用热电偶或热电阻实现，因此采集的温度也因不同类别的温度采集模块而不同，当采用热电偶作为温度采集模块时，所获得的温度是热电偶的电压值；当采用热电阻作为温度采集模块时，所获得的温度是热电阻的电阻值。
48.所述温度处理模块5电性连接所述温度采集模块4，用于根据所述温度采集模块4采集的所述黑体腔的温度以获取所述黑体腔的温度值。具体而言，每一个温度采集模块4均与温度处理模块5连接，所述温度处理模块5对所述温度采集模块4获取的电阻值或电压值进行转换以精确获取温度传感器采集到的温度值。
49.所述功率控制模块6电性连接所述温度处理模块5以及功率输出模块3，所述功率控制模块6用于根据所述温度处理模块5输出的所述黑体腔的温度值与预设温度值之间的差值控制所述功率输出模块3输出相应的加热功率以使所述黑体腔的温度值与所述预设温度值相等。在一个实施例中，所述功率控制模块在获取四个温度采集模块采集的温度所对应的温度值后，根据自动控制模型以及四路功率输出模块的类型输出四路功率输出模块的控制信号以控制四路功率输出模块向第一加热部以及第二加热部提供加热功率。例如，功率控制模块6根据pid自动控制模型和功率输出模块3的类型可以输出0～10v的控制信号，以提供相应的加热功率，使得黑体腔内部温度在黑体辐射源设定的温度。较佳的实施例中，可以通过温度设定模块向功率控制模块提供设定温度。
50.在一个较佳的实施例中，如图3所示，所述第一加热部20为第一电阻丝，所述第二加热部21为第二电阻丝，所述第一电阻丝均匀的螺旋盘绕并浇铸在所述腔底11的内部以与所述腔底一体成型；三个所述第二电阻丝均匀的螺旋盘绕并浇铸在所述侧壁10的内部以与所述侧壁一体成型。在具体的工作过程中，一个所述第一电阻丝对所述黑体腔的腔底11进行加热，三个所述第二电阻丝分别对所述黑体腔的侧壁10的相应位置进行独立加热，所述三个第二电阻丝均匀设置在所述黑体腔的侧壁的内部以提供均匀的加热温度，例如三个所述第二电阻丝均匀分布在所述黑体腔的侧壁的前部、中部和后部。在加热的过程中，通过温度采集模块分别对第一电阻丝和第二电阻丝所在的区域的进行温度测量，得到的相应温度所对应的电阻值经过温度处理模块的处理后得到精确的温度值传送到功率控制模块中，功率控制模块通过监控第一电阻丝和第二电阻丝所在的区域的温度值输出相应的控制信号控制功率输出模块输出相应的加热功率，以将黑体腔的温度上升到预设温度值并在过程中根据不同区域反馈的温度之间的差距调整不同区域的加热功率。通过对所述黑体腔的腔底以及侧壁的前部、中部和后部四个区域分别进行温度调控，更进一步且有效地提高了黑体辐射源腔体内部的温度均匀性，使黑体辐射源的光谱辐射特性更贴近于理想黑体，从而提高光谱辐射测量仪器量值溯源质量。
51.较佳的，所述第一电阻丝的电阻值为50欧姆，三个第二电阻丝的电阻值为15欧姆。
52.在较佳的实施例中，如图3所示，所述黑体腔还包括：位于所述腔底11的第一安装孔30以及位于所述侧壁10上且与所述第二加热部21所在位置对应的三个第二安装孔31；
53.所述温度采集模块包括：第一温度传感器模块以及与三个所述第二加热部所在位置对应的三个第二温度传感器模块；
54.所述第一温度传感器模块置于所述第一安装孔30内，三个所述第二温度传感器模块分别置于三个所述第二安装孔31内，较佳的，所述温度传感器模块可根据温度黑体辐射源温度范围与温度控制精度例如可以采用pt100的热电阻。
55.在较佳的实施例中，所述腔底11的内壁形成一圆锥体，所述第一安装孔30的一端正对所述圆锥体的顶点，所述第二安装孔31垂直于所述侧壁10。所述黑体腔腔底的内部所形成的圆锥体的平面角度为120
°
。
56.在较佳的实施例中，所述功率输出模块为程控电源或调功器，根据加热功率控制模块输出的控制信号，输出相应的加热功率，使黑体腔的加热稳定在黑体辐射源设定温度。在一个实施例中，功率输出模块选用程控电源，程控电源根据所述功率控制模块的0～10v控制信号，输出0～120v直流加热电流。三个第二加热部选用的程控电源均选用输出额定功率1000w的程控电源；第一加热部选用的程控电源输出额定功率300w。四路加热功率输出模块根据加热功率控制模块输出的0～10v控制信号，输出相应的加热功率，使黑体加热腔稳定在黑体辐射源设定温度。采用程控电源，使用0～10v控制信号，可精确控制加热丝两端的电压，加热方式更精细化，温度控制更快速准确。黑体温度稳定好。
57.本发明中的黑体辐射源可达到的温度范围为500k～1000k。黑体辐射源有效发射率可以达到大于99％。
58.本发明中的黑体辐射源纵向温度均匀性可达到小于0.001t(t为黑体辐射源的温度)；黑体辐射源腔体有效辐射面温度均匀性：小于0.0002t；黑体辐射源温度稳定性：小于0.0002t。
59.本发明实施例还提供一种温度控制设备，所述温度控制设备包括如上任意一具体实施例中所述的黑体辐射源。
60.本发明实施例还提供一种黑体辐射源的温度控制方法，应用于一黑体腔，所述黑体腔包括侧壁、腔底以及开口端，所述方法包括：
61.通过加热模块分别向黑体腔的侧壁以及腔底提供热能以均匀加热所述黑体腔；所述侧壁的一端位于所述开口端，所述侧壁的另一端与所述腔底连接；所述开口端与所述腔底相向设置；
62.其中，所述加热模块包括：第一加热部以及至少一个第二加热部；所述第一加热部一体成型于所述腔底的内部，至少一个所述第二加热部一体成型于所述侧壁的内部。
63.由于不同加热模块对黑体腔的侧壁和腔底分别加热，有效提高了黑体辐射源腔体内部的温度均匀性，使黑体辐射源的光谱辐射特性更贴近于理想黑体，从而提高光谱辐射测量仪器量值溯源质量。
64.在一个较佳的实施例中，所述方法还包括：
65.采集所述黑体腔的温度；
66.根据所述黑体腔的温度获取所述黑体腔的温度值；
67.获取所述黑体腔的温度值与预设温度值之间的差值；
68.根据所述差值控制所述第一加热部以及至少一个第二加热部分别向黑体的侧壁以及腔底提供相应的热能以使所述黑体腔的温度值与所述预设温度值相等。
69.本发明上述实施例中通过对黑体腔的侧壁以及腔底分别设置加热部以分别对腔底和腔体进行温度调控，更进一步且有效地提高了黑体辐射源腔体内部的温度均匀性，使黑体辐射源的光谱辐射特性更贴近于理想黑体，从而提高光谱辐射测量仪器量值溯源质量。
70.应理解，在本发明的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
71.还应理解，在本发明实施例中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关
系，表示可以存在三种关系。例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
72.本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
73.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
74.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。
75.所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。
76.另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
77.所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
78.本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。