黑體爐

紅外熱像儀溫度標定與檢測設備

黑體的定義	能全部吸收外部的輻射能量，同時能全部輻射出自身全部能量的物體。量化說明為：吸收率為1，反射率、透射率皆為0。
黑體的主要技術指標	黑體的發射率，黑體腔口直徑，溫度均勻性和輻射溫度不確定度。因此為了確保黑體的產品質量，通常黑體都是按溫度分段設計。
人工黑體	通常我們所說的黑體為人工黑體。人工黑體的發射率接近於1，但不等於1。
黑體2種基本類型	腔式黑體和平面黑體
黑體的用途	黑體的主要功能是產生一定溫度下的標準輻射。因此在溫度計量中主要用於檢定各種輻射溫度計，如光學高溫計、紅外溫度計、紅外熱像儀等。隨著科學技術的發展，黑體的用途已經不局限於在溫度計量方面的套用。在光學方面，已經普遍採用黑體作為標準輻射源和標準背景光源。在測量領域裡，黑體已經用於測量材料的光譜發射、吸收和反射特性。在高能物理的研究中，黑體已經用作為產生中子源。不同的用途對黑體的要求是不一樣的。在溫度計量領域，主要是利用黑體輻射和溫度的對應關係，因此要求黑體的發射率越高越好。要求黑體的輻射能量按照光譜分布（也就是黑體光譜輻射能量、也稱為單色能量）都能符合普朗克定律，這樣我們在檢定或校準輻射溫度計時，以黑體的溫度（或標準輻射溫度計）的示值，來修正輻射溫度計的偏差。因此在選擇黑體時通常是選擇發射率較高的腔式黑體，同時也要注意黑體腔口直徑，溫度均勻性和輻射溫度不確定度。在光學套用中，通常要求輻射源的輻射面積較大，但是溫度不高，只關注輻射面的溫度均勻性而不一定關注輻射能量與溫度對應的準確性，因此選擇面源黑體較多。但隨著科學技術的發展，現在光學套用中也已經用到大口徑的高溫黑體，但對發射率的要求可以低一點，達到0.98以上即可，像某些腔些黑體的直徑可以達到65mm，發射率達到了0.995，也非常適合做紅外的校驗。對於測試和研究中所採用的黑體，是根據需要設計，種類繁多。用於材料光譜發射率測量的黑體，是一個界於腔式黑體和面源黑體之間的黑體，發射面只有Φ10mm。用於輻射溫度儀器中定點校準用的黑體，是一個定溫度的輻射能量很穩定的光源。在國防軍工系統使用的黑體中最小只有小手指大，因此稱為指狀黑體；為了模擬目標，在一個平面上分隔成多個不同溫度區域的專用面源黑體稱為目標模擬器。等等。
黑體的發展史	黑體開始發展的是高溫黑體，早在20世紀50年代，由於光學高溫計的套用，當時的蘇聯和英國已經研製出了黑體爐，最高工作溫度可以達到2500℃。20世紀60年代，日本生產出臥式黑體爐，最高工作溫度為2200℃；同年代，我國也研製出臥式黑體爐，工作溫度為900～3200℃。在20世紀60年代，中溫黑體就有人開始研究，因為當時的技術條件限制，對黑體技術（如黑體腔、等溫黑體腔、黑體發射率等）認識不足，甚至將熱電偶檢定爐的中間放置一個靶子就看作是黑體。自從美國在越南戰爭首次使用紅外技術，成功地偵察到密林中的胡志明小道後（註：當時胡志明小道是運輸線），拉開了紅外技術在軍事上套用的序幕。隨後，各國都開展了紅外偵察、紅外偽裝、紅外製導、紅外誘餌、空中防衛等技術的研究工作，這就促進了對黑體技術的研究，尤其是對中低溫黑體的研究。因此國外在20世紀80年代就已經有低溫黑體，我國對低溫黑體的研究，是從20世紀90開始。近30年來，紅外技術已經廣泛地套用於民用，如紅外資源衛星、紅外氣象衛星、紅外加熱、紅外乾燥、醫用紅外、紅外測溫等，同時開始了民用黑體產品的研究。尤其是近20年來，紅外溫度計的廣泛套用，作為紅外溫度計檢定用的主要設備－黑體的市場需求量增加，這促進了黑體技術向產品化傳化的進度。對黑體技術的研究，尤其是對黑體發射率技術的研製，從20世紀50年代開始，一直是斷斷續續地進行著。國內一些大學，對黑體發射率進行研究，並根據輻射換熱原理，對當時的黑體產品研究出一套發射率的計算方法。同時，形成了對圓柱形黑體腔，腔體長度和腔口之比（稱為形腔比）為一個固定的模式。1998年，在國防計量科研課題的研究中，專家在基於等溫和漫反射的基礎上，套用輻射換熱原理，導出了黑體發射率全新的計算公式，從理論上證明了只要黑體腔內表面溫度均勻且為漫反射，黑體的發射率只與黑體的腔口面積與內表面面積之比、黑體腔內表面發射率有關，而與黑體的形狀、黑體的溫度無關，系統闡述了黑體發射率的理論，使得對黑體發射率理論的研究，向前邁進了一步，同時對於黑體的研製和生產，有著極大的指導意義。對於腔式黑體，也是一個逐步發展過程。從開始研製出雛形黑體，到開始重視形腔比，因此改進黑體腔按照一定的形腔比設計，將黑體的性能進行提高；到開始重視黑體的等溫段，儘量提高黑體的等溫區域，將黑體的性能進一步提高；到目前為止，套用黑體發射率的理論計算公式指出的改進途徑，使黑體的性能又得到提高；這就是一個不斷發展和不斷完善的過程。在黑體的設計上，人們對於黑體的等溫特性越來越重視，黑體腔內表面的溫度均勻性已經作為黑體設計主要技術指標之一；因此對於有的黑體內表面溫度均勻性較好的黑體，又稱為“等溫黑體”。對於黑體內表面溫度均勻性的要求，將熱管技術套用於黑體，黑體內表面等溫效果很好，因此近代使用熱管技術研製出的黑體，稱為熱管黑體。熱管黑體是等溫黑體的一種。隨著科學技術發展，需要更高精度的黑體作為標準輻射源，尤其在300℃以下溫度段。因此又發展了高精度的黑體，這些黑體輻射溫度的準確度在（0.1～0.5）℃和0.01℃分別率。我國在20世紀七八十年代，做實驗與標定的黑體輻射源，用於紅外標定的都是進口產品，如ISOTECH，EOI，美國的Mikron,OMEGA的相關產品都不錯，基本上黑體爐的國際市場是以美國獨大，品質很好，但是進口成本太過高了，這個嚴重限制了我國紅外事業的發展。黑體的市場化滯後嚴重製約了我國紅外事業的發展。到本世紀初，我國主要科研單位加快了黑體產品的研發進度，黑體爐國產化也發展很快，如武漢凱爾文，雲南儀表廠（已經倒閉），為黑體的市場化做出了傑出的貢獻，相關的產品指標與穩定性都與國外產品實現了同步，隨著大量產品進入市場，供給增加，黑體的市場價格也應聲下落，紅外生產廠家的成本也因規模效應而不斷下降，為紅外熱像產品的市場化，民用化開闢了廣闊的市場前景。我國的紅外科研也在不斷縮小與國外先進水平的差距。

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