CN111273711A - 一种双区控温的大口径高温红外面源黑体装置 - Google Patents

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董伟
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魏平
张雷
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Abstract

本发明涉属于适用于航空航天、兵器、军事伪装、辐射探测、热成像领域红外探测仪器的校准或定标领域，具体为一种双区控温的大口径高温红外面源黑体装置,其特征在于包括：辐射面、中心发热体、外环发热体、中心温度传感器、外环温度传感器、双PID型温度控制器、对流屏蔽罩和隔热层，所述装置的上下设置有对流屏蔽罩，所述装置内部设置有辐射面，所述中心发热体和外环发热体设置在装置内部，所述中心发热体的上下端设置有外环发热体，所述外环温度传感器与外环发热体相连，所述中心温度传感器与中心发热体相连接，所述中心温度传感器和外环温度传感器与双PID型温度控制器相连接。

Description

一种双区控温的大口径高温红外面源黑体装置
技术领域
本发明涉及一种高温度均匀性大口径面源黑体辐射源，适用于航空航天、兵器、军事伪装、辐射探测、热成像领域红外探测仪器的校准或定标。
背景技术
现有的大口径面源黑体辐射源技术方案的缺陷主要包括：温度范围上限不足，温度均匀性不理想，对于高温条件下的空气对流缺乏有效抑制方案。
如公开号为CN2692804Y面源黑体辐射源的实用新型专利公开了一种面源黑体辐射源，它由辐射体、筒体、固定圈、面源黑体箱、面源黑体前面板、轴流风机、纤维棉、控温仪组成，固定圈置于面源黑体前面板里圈，筒体置于面源黑体箱的上边，筒体里置有辐射体，轴流风机置于面源黑体箱的后面，面源黑体前面板置于面源黑体箱的前面，控温仪与面源黑体箱连接，纤维棉置于面源黑体筒体和辐射体之间，其特征在于，所述的辐射体为空心圆柱盘，圆柱盘的辐射面上置有许多圈同心槽，圆柱盘的背面为数圈同心槽，加热丝置于每一个槽内，圆柱盘的圆周面上置有数圈圆周槽，加热丝置于每一个圆周槽内，在圆柱盘的圆周面置有数个用于安装传感器的从圆心到圆周的孔，空心圆柱盘辐射面和内表面均置有发黑层。
如公开号为CN104913849A一种面源黑体及制作方法的发明专利公开了一种面源黑体及其制造方法，其包括：底板，该底板用于形成面源黑体的支撑结构；形成于所述底板上的预定数量的锥体，所述锥体按照预定的方式在所述底板上排布；至少一部分的所述锥体与所述底板为一体式结构，至少另一部分的所述锥体为独立成型。
如公开号为CN105241554A一种外场条件下的面源黑体型辐射源及其定标方法公开了一种外场条件下的面源黑体型辐射源及其标定方法。该辐射源在辐射面外加装一个防风作用的透红外的罩子，适用于外场恶劣环境，不受或者少受风和气流影响，保持足够的精度。该辐射源的标定方法包括步骤：先建立热像仪CCD采集的数据的DL值-黑体温度对应关系表；由热像仪CCD采集的数据的DL值-黑体温度对应关系表建立热像仪CCD采集的数据的DL值与黑体温度的标定曲线；再建立黑体温度-黑体辐射温度对应关系表；最后在外场条件下，在使用防风透红外罩的情况下，建立黑体辐射温度-热像仪CCD采集的数据的DL值对应关系表；从而建立由黑体辐射温度-热像仪CCD采集的数据的DL值对应关系表对应的标定曲线，完成标定工作。
现有技术中大口径面源黑体辐射源技术方案的缺陷主要包括：温度范围上限不足，温度均匀性不理想，对于高温条件下的空气对流缺乏有效抑制方案的不足。
发明内容
针对上述现有技术中大口径面源黑体辐射源技术方案的缺陷主要包括：温度范围上限不足，温度均匀性不理想，对于高温条件下的空气对流缺乏有效抑制方案的不足，本发明提供了一种基于双区独立温度控制的大口径高温红外面源黑体，改进分区独立温度控制工艺、表面微结构及涂层，附加对流屏蔽罩，提升大口径高温红外面源的温度均匀性及发射率。
一种双区控温的大口径高温红外面源黑体装置,其特征在于包括：辐射面、中心发热体、外环发热体、中心温度传感器、外环温度传感器、双PID型温度控制器、对流屏蔽罩和隔热层，所述装置的上下设置有对流屏蔽罩，所述装置内部设置有辐射面，所述中心发热体和外环发热体设置在装置内部，所述中心发热体的上下端设置有外环发热体，所述外环温度传感器与外环发热体相连，所述中心温度传感器与中心发热体相连接，所述中心温度传感器和外环温度传感器与双PID型温度控制器相连接。
所述辐射面为带有V槽结构的高辐射率热沉辐射面，辐射面直径400mm，V型槽角度为30°，V型槽深度10mm。
所述中心发热体、外环发热体的发热元件为镍基高温合金丝。
所述发热体结构为合金丝穿过双控陶瓷管，并在顶端穿过单孔陶瓷管。
所述中心发热体和外环发热体的半径之R1/R2＝4/5。
所述中心温度传感器和外环温度传感器具体为一等标准铂铑铂型热电偶。
所述对流屏蔽罩材质为不锈钢，壁厚0.5～1.5mm，对流屏蔽罩深/径比为1/2。
工作原理：
双区PID温度控制器功能作用为大口径高温红外面源黑体温度精密控制与稳定，提升温度分布面均匀性。
温度控制中，按误差的比例、积分和微分产生控制量的控制器称为PID控制器。误差的比例、积分和微分也分别对应着误差的“现在”、“过去”和“未来”信息的简单估计，而通过它们的简单线性组合即可产生控制量。图4中，r(t)为***设定值，c(t)为被控对象的实际输出，u(t)为控制量大小，e(t)为控制误差。PID控制器中，控制量与控制误差关系的数学模型可表达为：
Figure BDA0002433624630000031
式中，Kp为比例系数，Ti为积分时间，Td为微分时间。这三个参数的获得，通过PID控制器的自整定实现。
双区PID控制器设计具体的控制原理步骤如下：
双区独立温度控制工艺，提升黑体辐射源温度场均匀性；双区PID独立温度控制的具体工艺步骤包括：(a～e)
a.设定PID控制器1目标温度T1；
b.设定PID控制器2目标温度T2；
c.开启装置供电，同时开启PID控制器自整定，通过继电器启停对加热器供电，以目标温度与传感器读取温度偏差为控制目标，获取两台PID控制器的PID参数；
d.测量面源温度均匀性，设定PID控制器2偏差值；
e.待新偏差值设定完成后，重新稳定面源后再次测量面源温度均匀性；重复步骤a～e，直至温度均匀性满足使用要求。
本发明的有益效果：
1.本发明最接近的现有技术方法直接共晶法相比，本发明最突出的技术优点体现在双区独立温度控制工艺；表面微结构及涂层工艺；附加深/径比为1/2的对流屏蔽罩，提升大口径高温红外面源的温度均匀性及发射率。
2.本发明采用双区PID温度控制器功能作用为大口径高温红外面源黑体温度精密控制与稳定，提升温度分布面均匀性。
附图标记
1、辐射面，2、中心发热体，3、外环发热体，4、中心温度传感器，5、外环温度传感器，6、双PID型温度控制器，7、对流屏蔽罩，8、隔热层。
附图说明
图1为高辐射率热沉辐射面示意图；
图2为基于镍基高温合金丝发热体结构示意图；
图3为双区发热体布置区域图；
图4为PID控制器的基本原理图；
图5为双区PID控制器设计图；
图6为对流屏蔽罩结构示意图；
图7为双区控温的大口径高温红外面源黑体示意图。
具体实施方式：
实施例1：
一种双区控温的大口径高温红外面源黑体装置,其特征在于包括：辐射面1、中心发热体2、外环发热体3、中心温度传感器4、外环温度传感器5、双PID型温度控制器6、对流屏蔽罩7和隔热层8，所述装置的上下设置有对流屏蔽罩7，所述装置内部设置有辐射面1，所述中心发热体2和外环发热体3设置在装置内部，所述中心发热体2的上下端设置有外环发热体3，所述外环温度传感器5与外环发热体3相连，所述中心温度传感器4与中心发热体2相连接，所述中心温度传感器4和外环温度传感器5与双PID型温度控制器6相连接。
所述发热体结构为合金丝穿过双控陶瓷管，并在顶端穿过单孔陶瓷管。
所述中心发热体2和外环发热体3的半径之R1/R2＝4/5。
所述中心温度传感器4和外环温度传感器5具体为一等标准铂铑铂型热电偶。
所述对流屏蔽罩7材质为不锈钢，壁厚0.5～1.5mm，对流屏蔽罩7深/径比为1/2。
实施例2：
一种双区控温的大口径高温红外面源黑体装置,其特征在于包括：辐射面1、中心发热体2、外环发热体3、中心温度传感器4、外环温度传感器5、双PID型温度控制器6、对流屏蔽罩7和隔热层8，所述装置的上下设置有对流屏蔽罩7，所述装置内部设置有辐射面1，所述中心发热体2和外环发热体3设置在装置内部，所述中心发热体2的上下端设置有外环发热体3，所述外环温度传感器5与外环发热体3相连，所述中心温度传感器4与中心发热体2相连接，所述中心温度传感器4和外环温度传感器5与双PID型温度控制器6相连接。
所述辐射面1为带有V槽结构的高辐射率热沉辐射面1，辐射面1直径400mm，V型槽角度为30°，V型槽深度10mm。
所述发热体结构为合金丝穿过双控陶瓷管，并在顶端穿过单孔陶瓷管。
所述中心发热体2和外环发热体3的半径之R1/R2＝4/5。
所述中心温度传感器4和外环温度传感器5具体为一等标准铂铑铂型热电偶。
所述对流屏蔽罩7材质为不锈钢，壁厚0.5～1.5mm，对流屏蔽罩7深/径比为1/2。
实施例3：
一种双区控温的大口径高温红外面源黑体装置,其特征在于包括：辐射面1、中心发热体2、外环发热体3、中心温度传感器4、外环温度传感器5、双PID型温度控制器6、对流屏蔽罩7和隔热层8，所述装置的上下设置有对流屏蔽罩7，所述装置内部设置有辐射面1，所述中心发热体2和外环发热体3设置在装置内部，所述中心发热体2的上下端设置有外环发热体3，所述外环温度传感器5与外环发热体3相连，所述中心温度传感器4与中心发热体2相连接，所述中心温度传感器4和外环温度传感器5与双PID型温度控制器6相连接。
所述辐射面1为带有V槽结构的高辐射率热沉辐射面1，辐射面1直径400mm，V型槽角度为30°，V型槽深度10mm。
所述中心发热体2、外环发热体3的发热元件为镍基高温合金丝。
所述中心温度传感器4和外环温度传感器5具体为一等标准铂铑铂型热电偶。
所述对流屏蔽罩7材质为不锈钢，壁厚0.5～1.5mm，对流屏蔽罩7深/径比为1/2。
实施例4：
一种双区控温的大口径高温红外面源黑体装置,其特征在于包括：辐射面1、中心发热体2、外环发热体3、中心温度传感器4、外环温度传感器5、双PID型温度控制器6、对流屏蔽罩7和隔热层8，所述装置的上下设置有对流屏蔽罩7，所述装置内部设置有辐射面1，所述中心发热体2和外环发热体3设置在装置内部，所述中心发热体2的上下端设置有外环发热体3，所述外环温度传感器5与外环发热体3相连，所述中心温度传感器4与中心发热体2相连接，所述中心温度传感器4和外环温度传感器5与双PID型温度控制器6相连接。
所述辐射面1为带有V槽结构的高辐射率热沉辐射面1，辐射面1直径400mm，V型槽角度为30°，V型槽深度10mm。
所述中心发热体2、外环发热体3的发热元件为镍基高温合金丝。
所述发热体结构为合金丝穿过双控陶瓷管，并在顶端穿过单孔陶瓷管。
所述中心发热体2和外环发热体3的半径之R1/R2＝4/5。
实施例5：
一种双区控温的大口径高温红外面源黑体装置,其特征在于包括：辐射面1、中心发热体2、外环发热体3、中心温度传感器4、外环温度传感器5、双PID型温度控制器6、对流屏蔽罩7和隔热层8，所述装置的上下设置有对流屏蔽罩7，所述装置内部设置有辐射面1，所述中心发热体2和外环发热体3设置在装置内部，所述中心发热体2的上下端设置有外环发热体3，所述外环温度传感器5与外环发热体3相连，所述中心温度传感器4与中心发热体2相连接，所述中心温度传感器4和外环温度传感器5与双PID型温度控制器6相连接。
所述辐射面1为带有V槽结构的高辐射率热沉辐射面1，辐射面1直径400mm，V型槽角度为30°，V型槽深度10mm。
所述中心发热体2、外环发热体3的发热元件为镍基高温合金丝。
所述发热体结构为合金丝穿过双控陶瓷管，并在顶端穿过单孔陶瓷管。
所述中心发热体2和外环发热体3的半径之R1/R2＝4/5。
所述中心温度传感器4和外环温度传感器5具体为一等标准铂铑铂型热电偶。
实施例6：
一种双区控温的大口径高温红外面源黑体装置,其特征在于包括：辐射面1、中心发热体2、外环发热体3、中心温度传感器4、外环温度传感器5、双PID型温度控制器6、对流屏蔽罩7和隔热层8，所述装置的上下设置有对流屏蔽罩7，所述装置内部设置有辐射面1，所述中心发热体2和外环发热体3设置在装置内部，所述中心发热体2的上下端设置有外环发热体3，所述外环温度传感器5与外环发热体3相连，所述中心温度传感器4与中心发热体2相连接，所述中心温度传感器4和外环温度传感器5与双PID型温度控制器6相连接。
所述辐射面1为带有V槽结构的高辐射率热沉辐射面1，辐射面1直径400mm，V型槽角度为30°，V型槽深度10mm。
所述中心发热体2、外环发热体3的发热元件为镍基高温合金丝。
所述发热体结构为合金丝穿过双控陶瓷管，并在顶端穿过单孔陶瓷管。
所述中心发热体2和外环发热体3的半径之R1/R2＝4/5。
所述中心温度传感器4和外环温度传感器5具体为一等标准铂铑铂型热电偶。
所述对流屏蔽罩7材质为不锈钢，壁厚0.5～1.5mm，对流屏蔽罩7深/径比为1/2。
工作原理：
双区PID温度控制器功能作用为大口径高温红外面源黑体温度精密控制与稳定，提升温度分布面均匀性。
温度控制中，按误差的比例、积分和微分产生控制量的控制器称为PID控制器。误差的比例、积分和微分也分别对应着误差的“现在”、“过去”和“未来”信息的简单估计，而通过它们的简单线性组合即可产生控制量。图4中，r(t)为***设定值，c(t)为被控对象的实际输出，u(t)为控制量大小，e(t)为控制误差。PID控制器中，控制量与控制误差关系的数学模型可表达为：
Figure BDA0002433624630000071
式中，Kp为比例系数，Ti为积分时间，Td为微分时间。这三个参数的获得，通过PID控制器的自整定实现。
双区PID控制器设计具体的控制原理步骤如下：
双区独立温度控制工艺，提升黑体辐射源温度场均匀性；双区PID独立温度控制的具体工艺步骤包括：(a～e)
a.设定PID控制器1目标温度T1；
b.设定PID控制器2目标温度T2；
c.开启装置供电，同时开启PID控制器自整定，通过继电器启停对加热器供电，以目标温度与传感器读取温度偏差为控制目标，获取两台PID控制器的PID参数；
d.测量面源温度均匀性，设定PID控制器2偏差值；
e.待新偏差值设定完成后，重新稳定面源后再次测量面源温度均匀性；重复步骤a～e，直至温度均匀性满足使用要求。

Claims (7)

1.一种双区控温的大口径高温红外面源黑体装置,其特征在于包括：辐射面（1）、中心发热体（2）、外环发热体（3）、中心温度传感器（4）、外环温度传感器（5）、双PID型温度控制器（6）、对流屏蔽罩（7）和隔热层（8），所述装置的上下设置有对流屏蔽罩（7），所述装置内部设置有辐射面（1），所述中心发热体（2）和外环发热体（3）设置在装置内部，所述中心发热体（2）的上下端设置有外环发热体（3），所述外环温度传感器（5）与外环发热体（3）相连，所述中心温度传感器（4）与中心发热体（2）相连接，所述中心温度传感器（4）和外环温度传感器（5）与双PID型温度控制器（6）相连接。
2.根据权利要求1所述一种双区控温的大口径高温红外面源黑体装置,其特征在于：所述辐射面（1）为带有V槽结构的高辐射率热沉辐射面（1），辐射面（1）直径400mm，V型槽角度为30°，V型槽深度10 mm。
3.根据权利要求1所述一种双区控温的大口径高温红外面源黑体装置,其特征在于：所述中心发热体（2）、外环发热体（3）的发热元件为镍基高温合金丝。
4.根据权利要求3所述一种双区控温的大口径高温红外面源黑体装置,其特征在于：所述发热体结构为合金丝穿过双控陶瓷管，并在顶端穿过单孔陶瓷管。
5.根据权利要求1所述一种双区控温的大口径高温红外面源黑体装置,其特征在于：所述中心发热体（2）和外环发热体（3）的半径之R1/R2=4/5。
6.根据权利要求1所述一种双区控温的大口径高温红外面源黑体装置,其特征在于：所述中心温度传感器（4）和外环温度传感器（5）具体为一等标准铂铑铂型热电偶。
7.根据权利要求1所述一种双区控温的大口径高温红外面源黑体装置,其特征在于：所述对流屏蔽罩（7）材质为不锈钢，壁厚0.5~1.5 mm，对流屏蔽罩（7）深/径比为1/2。
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Application publication date: 20200612

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