The measurement of responsivity of infrared photodetectors using a cavity blackbody

For the measurement of responsivity of an infrared photodetector,the most-used radiation source is a blackbody.In such a measurement system,distance between the blackbody,the photodetector and the aperture diameter are two parameters that contribute most measurement errors.In this work,we describe the configuration of our responsivity measurement system in great detail and present a method to calibrate the distance and aperture diameter.The core of this calibration method is to transfer direct measurements of these two parameters into an extraction procedure by fitting the experiment data to the calculated results.The calibration method is proved experimentally with a commercially extended InGaAs detector at a wide range of blackbody temperature,aperture diameter and distance.Then proof procedures are further extended into a detector fabricated in our laboratory and consistent results were obtained.

空腔效应对集成黑体高温发射率测量影响规律研究

提出集成黑体法中的非等温边界空腔效应修正因子的理论模型。基于有限元思想,开展不同发射率样品、特定温场下的非等温边界空腔效应修正因子理论计算,与基于蒙特卡洛光线追迹法获得的修正因子比对,两者具有良好的一致性,最大偏差不超过2.5%,结果均表明波长越长、样品发射率越低,空腔效应对发射率测量结果影响越大。在1000℃温度下、12~14μm波长范围对铂金材料样品发射率进行实验,并与基于分立黑体法的发射率测量结果比对,经修正后的集成黑体法与分立黑体法的一致性从0.09提升至0.03,该结果验证了引入非等温边界空腔效应修正因子的理论模型的可行性,同时提高了该方法测量发射率的准确性。

航空发动机蓝宝石光纤测温技术研究

在航空发动机的研制和使用中,温度参数测试技术的研究具有重要意义。因其恶劣的工作环境和狭窄的安装空间,准确高效且耐高温的测试方法非常有限,所以迫切需要研究新的测温技术。近年来,蓝宝石光纤成为高温测试的主流材料,从航空发动机温度测试需求出发,介绍了基于蓝宝石光纤的测温技术,包括光纤光栅测温技术、光纤法珀测温技术、黑体辐射测温技术以及光纤超声测温技术。重点阐述了这些技术的测试原理、测试系统及优缺点,并对其在航空发动机应用的可行性进行了分析,最后对蓝宝石光纤温度测试技术的未来研究方向进行了展望,为后续的研究和应用奠定了基础。

高发射率水浴黑体腔优化设计与测试

针对卫星红外载荷高精度定标试验需求,研制高发射率水浴黑体腔。基于Gouffe理论设计黑体腔结构参数,对比两种腔体内表面处理方法,选择喷涂高发射率涂层的工艺;采取分体式圆锥嵌合结构解决传统构型锥尖加工困难、涂层堆积的问题;并通过理论计算、光线追迹仿真和实验测量评价黑体腔的有效发射率。结果表明,所研制的黑体腔有效发射率达0.997,满足高精度红外载荷定标试验需求。

基于在线黑体空腔理论的钢水连续测温传感器的研制

基于在线黑体空腔理论的研究成果,设计了一种新型黑体空腔式钢水连续测温传感器,解决了钢水连续测温这一难题。介绍了传感器的结构原理,并对机理进行了详细的分析。实验结果表明,测量误差≤±3℃,测温管寿命可达20～40h,测温成本与现行的快速热电偶实际消耗相当或略低,具有较强实用性,现已成功应用于28家钢铁公司。

高温黑体空腔发射率有限元分析

基于有限元热分析方法,建立了不同形状的黑体空腔传感器模型,并对其腔体发射率进行求解,同时讨论了腔体开口、腔长、腔口与接收面之间的距离、材料自身的发射率等参数对腔体发射率的影响,通过对各种形状黑体空腔的发射率比较,得出最佳的黑体空腔设计方案。仿真结果表明,改变影响腔体几何结构的各参数时,黑体空腔腔体发射率也随之变化,当黑体空腔为圆台-圆台形,且腔体开口较小、腔体长度较长、腔口与接收面之间的距离较远、材料自身的发射率较大时,腔体发射率较高。

中间包钢水连续测温的新方法

基于在线黑体空腔理论,提出了一种新型的钢水连续测温方法·针对在线黑体空腔不满足基尔霍夫理想黑体物理模型,具有'非密闭'和'不等温'的辐射特性,建立了在线黑体空腔有效发射率、积分发射率的计算模型,并应用于中间包钢水连续测温系统中·实践表明,该方法具有较高性能价格比,测量误差≤±3℃,测温管寿命可达20～40h,测温成本与现行的快速热电偶实际消耗相当或略低,同时低于铂铑热电偶连续测温,是取代现行钢水间断式测温的较好方法·

黑体空腔辐射理论和设计

评述了作为黑体空腔辐射理论一个重要组成部分的积分方程理论及其发展。提出了一种用于0—200℃温度范围的新型黑体空腔设计。该空腔具有夹层结构并与恒温槽的液体介质相连，使之在夹层内循环流动，因而处于良好的等温环境中。空腔内壁表面使用高辐射耐热涂层，具有良好的漫射性能。新设计的黑体空腔的有效发射率可以达到0．998。

蓝宝石光纤黑体腔瞬态高温传感器测量系统特性参数研究

基于普朗克辐射定律溅射陶瓷薄膜的蓝宝石光纤黑体腔传感器能在恶劣的环境下工作,测温范围为900～2 000℃。基于集中热容假设建立了某蓝宝石光纤黑体腔传热数学模型,分析了黑体腔陶瓷膜层材料热物性与其响应速度间的关系,表现为:膜层厚度越小,其热响应速度越高。为测量该传感器的动态响应时间,使用了高功率激光脉冲作为1 500℃高温阶跃输入信号测得时间常数为10^(-2)s数量级。设计了能适应恶劣环境工作的传感器铠装结构。采用高温均热金属熔池实现了传感器的静态标定,从而解决了此类传感器在工程应用中的标定问题。利用该瞬态高温传感器成功地测量了某导弹发射箱前框的瞬态表面高温。

复合测温传感器的积分发射率研究

复合测温传感器所形成的实际黑体空腔具有“不等温”和“非密闭”的特点 ,其积分发射率不能简单看作 1。为此 ,我们给出了不等温积分发射率的计算公式 ,并分析了传感器几何特性、温度分布、材料发射率、腔口与探测器之间的距离和环境温度对积分发射率的影响 ,为实现传感器的优化设计和提高准确度奠定基础。

基于分离变量法的瞬态高温外推测试研究

提出了一种利用蓝宝石光纤黑体腔温度传感器外推测量高温的新方法,建立了测量瞬态高温的黑体腔外推模型,利用分离变量法对其求解.在此基础上,利用CO2激光器模拟瞬态高温热源,用传感器和高速红外测温仪同时测量黑体腔内外膜层温度变化情况.实验结果表明:利用分离变量法求得的外温度和红外测温仪测得的温度在变化趋势及峰值方面表现出了比较好的一致性,从而证明了外推模型的正确性.同时,利用Ansys软件对黑体腔的瞬态受热传热过程进行仿真,从反面验证了外推模型的正确性.

红外耳温计分度方法及数据分析

研制了一种专门用于红外耳温计分度的双孔黑体空腔,并用研制的黑体空腔对红外耳温计在37℃和41℃进行了分度实验.实验结果表明,此黑体空腔的空腔发射率已达到0.999,完全能作为红外耳温计分度的标准辐射源.最后对实验结果进行了不确定度的评定.

蓝宝石光纤传感器在瞬态高温测量中的应用

介绍一种蓝宝石光纤黑体腔瞬态高温传感器及测试系统。测试系统由蓝宝石光纤传感器、锥度光纤、传光光纤、窄带滤光片、光电探测器、数据采集装置及处理软件组成。将在端部具有黑体腔的蓝宝石光纤装在不锈钢螺塞状的紧凑壳体中,用耐高温有机硅涂料填补间隙防止漏光,系统在氧乙炔焰加热均热金属块熔池附近的恒温区进行静态标定,采用了阶跃上升的CO2激光束对黑体感温腔加热,测量系统的动态响应时间。实验表明该系统响应时间在10-2s数量级,能在恶劣环境的下对800～1900℃瞬态高温进行测量。

瞬态表面温度传感器超高温外推测试技术研究

提出利用外推法拓宽蓝宝石光纤黑体腔高温传感器测量范围,通过分析蓝宝石光纤黑体腔的导热规律建立了瞬态受热的黑体腔外推模型,利用分离变量法对外推模型进行求解,得到传感器的测温上限为3 005℃.设计完成了外推方法的实验验证,利用大功率高频可调制CO2激光脉冲作为1 500℃高温阶跃输入信号测得该传感器时间常数为10-2s数量级。利用同一激光脉冲作为热源、用该传感器和校准过的高速红外测温仪同时测得的黑体腔内外膜层温度变化曲线,验证了外推模型及方法的正确性。

黑体腔高温传感器结构设计

基于积分方程理论建立了黑体腔的结构模型,分析了腔体长径比、孔径比、接收器到腔口的距离、腔体材料本身发射率等参数对腔体发射率的影响,提出了黑体腔优化参数设计,同时,应用有限元分析法分析了不同形状黑体腔腔体对接收器稳态温度、动态响应时间的影响。研究结果表明:黑体腔结构参数的改变直接影响黑体腔发射率、接收器稳态温度、动态响应时间,进而影响黑体腔性能,积分方程法和有限元法结合分析为黑体腔研究以及优化设计提供了新思路。

蒙特-卡罗法计算黑体空腔有效发射率

介绍了蒙特-卡罗法计算黑体空腔发射率的基本思想和主要算法。首先阐述了计算黑体空腔有效发射率的理论基础,然后分别从正向光线追迹和逆向光线追迹的角度对蒙特-卡罗法的具体算法予以说明,提出逆向追迹思想能方便地计算空腔的定向有效发射率,经过运算可以得到腔积分半球有效发射率和平均垂直有效发射率。最后对比了采用蒙特-卡罗法和其它方法的计算结果,分析表明:蒙特-卡罗法在计算黑体空腔有效发射率上是准确的,劣势在于计算速度慢。

基于有限元法的黑体腔高温传感器动态特性分析

基于有限元热分析法,建立了黑体腔三维有限元模型,分析了黑体腔结构参数、热物性参数、黑体腔初始预热温度对黑体腔测温过程中动态特性的影响。研究结果表明:黑体腔结构参数的改变直接影响黑体腔动态测温误差、动态响应时间、腔体发射率,进而影响黑体腔性能。黑体腔动态测温误差随着比热或密度的增大而增大。黑体腔初始预热温度对黑体腔动态测温影响较大,初始预热温度每增加100℃,最大测温误差减小50℃左右,动态响应时间减少5 s左右。

基于热幅射的耳腔式红外体温计研制

基于黑体热辐射原理采用MLX90615-DAA专用医用温度测量探头和MSP430主控制器进行温度源数据采集和处理,并应用矫正查表法和两次线性回归校准算法分别计算出温度值和校准温度值,样机和黑体标准器同步进行71例测温对比实验。样机实测温度值(Lab_tTr)和黑体标准器所取温度值(Std_tTr)的均方根误差为0.085℃,相关系数为0.9995(p<0.001);Bland-Altman图显示Lab_tTr与Std_tTr平均偏倚绝对值为0.0069℃,98.6%(70/71)的点在95%一致性界限内。实验表明:本样机与黑体标准器测温结果具有较好的一致性。

200℃以下红外温度计校准的相关研究

研制了一种可用于200℃以下的红外温度计校准的标准黑体辐射源。应用3种不同方法的计算，得到的黑体空腔的有效发射率均在0．997以上。通过一系列的试验，得出工作距离与环境温度是2个重要影响因素，给出了校准中的最佳T作距离，并指出保持温度计环境温度恒定的重要性。

在中低温条件下环境辐射对光谱发射率测量的影响

讨论了有效光谱发射率和有效亮度温度的概念。介绍了光谱发射率的测量方法及测量装置。在考虑到环境辐射的情况下，给出了光谱发射率的计算方程，指出中低温条件下的光谱发射率测量必须考虑环境辐射的影响，否则会出现较大的误差。