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浅谈黑体辐射源的特性

黑体辐射源,作为辐射标定的基准,是红外测试实验室或红外热成像产品生产线上的基本设备之一,广泛应用于各种红外光学系统的校准和参数测量。

没错,HGH专业制造黑体40年,关于黑体辐射源的特性,我们是这样说的...

01发射率

在相同温度下,物体辐射的能量和黑体辐射的能量之间的比例被称为发射率。完美的黑体能够吸收外来的全部电磁辐射,并将其全部发射出去,然而要知道,这样的完美黑体并不存在。而对于黑体生产商而言,设计和生产黑体时,都要使其发射率在任何波长都尽可能的接近1,来满足用户进行精确测量的需求。

 

研究发现,发射率越高,黑体辐射对环境的敏感度越低,受环境温度影响越小。

HGH黑体的优势之一就是其高发射率,所有的扩展面源黑体的发射率都是0.98,腔式黑体的发射率>0.99。扩展面源黑体的通过其符合LNE(与NIST同等的法国标准)特定的一种特定涂料来实现高发射率。HGH通过对黑体进行辐射校准来实现黑体在1到14um的整个波长范围内其等效发射率达到1。通过一个简单的测试来了解辐射校准的重要性:100℃的条件下,分别在不做辐射校准和做辐射校准的情况下测量黑体(发射率0.98)的温度(通过红外温度计)。不做辐射校准的情况下其表面温度为98℃,而做过辐射校准后其表面温度为100℃。

考虑到这种情况,有些人可能认为反射率不如等效反射率那么重要。然而,辐射校准是在实验环境中计算得出的,实验环境温度大概在22-23℃左右,并且是在光谱中的特定波段,其校正结果只在该实验温度和波段下有效。因此这种情况下需要严格控制工作环境的温度。

 

发射率越高,光谱辐射力才接近完美黑体。

辐射定标是为了在全波段范围内匹配完美黑体的总体信号,而不是为了匹配每个波长的信号。这意味着某个波段的光谱辐射力不等于它是一台完美的黑体。

 

最后,在黑体进行辐射校准时的温度和环境温度相差较大的情况下,最好使用黑体的实际反射率而不是等效反射率,并且对后来的测量进行校正。而HGH黑体的出色性能也是特色之一,就是即使在没有辐射校准的境况下也可以使用。

02稳定性

稳定性是指随着时间的推移黑体能够控制和发射相同的温度的能力。高稳定性能够使黑体在测试过程中保持相同的温度,这对于红外芯片和相机的NETD和噪声测试时非常必要。

实际上,高端红外芯片和相机拥有低噪声和极小的NETD值,这就要求黑体具有高稳定性,才能遵从测试设备和校正设备之间4:1的测试精度。例如,HGH的DCN1000黑体的稳定性为0.002K,所以它是可以应用于所有制冷型红外探测器(这些探测器的典型NETD值是30mKd到10mK)的NETD测试。

03温度精度

当谈及黑体的温度精度时,必须考虑以下四个因素:

•温度传感器(通常是Pt传感器)

•电子测试单元

•温度传感器和发射面之间的导热材料

•反射率

 

只要以上因素中有一个没能控制好,就不能保证温度精度。问题是温度芯片和发射表面之间的热接触无法测量。这也就是为什么在说明温度精度时,厂家只能说明其温度传感器结合他们测试卡的精度,而不是黑体温度的实际精度。总之,厂家给出的精度也许是一个不错的指导。作为需要慎重考虑的参数,HGH投入了很大的精力在黑体的反射率以及温度传感器和发射面之间的导热材料上,从而保证黑体的温度精度尽可能的接近温度传感器的精度。

 

HGH黑体的校准具有比较好的持久性。校准的持久性是指黑体经过校准后的持续时间。大部分的黑体都需要每年进行校正。HGH的DCN1000系列校正的有效期是两年。温度传感器,电子器件,发射面和发射涂层这些模块的精细选择,是能够保证辐射校准的持久性。

 

04升降温时间

 

升温和降温时间也是黑体的重要特性,这一点虽然不能改变其测试性能,但能够极大地影响实验或生产效率。1℃的变化如果需要等待5分钟,这个时长会造成实验的拖延或不及时,或生产效率的降低,尤其是在需要不断改变黑体温度的情况下。

 

HGH的DCN1000系列黑体,改变10℃以内的温度需要的温度稳定时间在60秒以内,无论是升温或降温情况下。

HGH的黑体可以在任意时间设置成任意想要的温度,不受步骤流程的约束,在降温过程中(低于0℃)。

例如,当把一个黑体从100℃降温到25℃时,普通低温黑体大概需要15分钟;对于高端黑体来说,它的典型冷却速率为0.2℃/s,所以只需要6分钟就可以从100℃降温到25℃;而HGH的DCN1000黑体系列,仅需要3分钟。

 

另外,对于双温应用(例如NETD),HGH研发了双发射面黑体:TwiN1000黑体。它们有两个独立的发射面,温度范围0-150℃,可以满足在两种温度下同时工作的应用需求,是比短升温和降温时间更好的选择。