可攜式雙波段熱紅外輻亮度計的製作方法
2023-11-08 07:03:37 3
專利名稱：可攜式雙波段熱紅外輻亮度計的製作方法
技術領域：
本發明屬於光輻射定標領域定標儀器，具體是用於常溫黑體(200— 400) K的光輻射定標的定標儀器。
背景技術：
定標常溫黑體輻射溫度的傳統方法是直接使用多個接觸式溫度計測量黑體腔的溫度作為黑體實際輻射溫度。然而，由於黑體腔實際發射率、溫度梯度、溫度分布均勻性以及接觸式溫度測量缺陷等因素導致黑體腔測量溫度與實際輻射溫度之間存在一定的誤差， 一般都在O. 2K以上，甚至更大，這勢必對黑體的精度帶來一些誤差。
發明內容
本發明目的就是為了克服已有技術的缺陷，提供一種能提高測量常溫黑體輻射溫度精度的可攜式雙波段熱紅外輻亮度計。本發明是通過以下技術方案實現的
一種可攜式雙波段熱紅外輻亮度計，包括有機械結構單元、光學單元和外圍數據採集單元，所述的機械結構單元包括有上真空倉體、下真空罩和液氮存儲倉，所述的上真空倉體包括有液氮進口管和液氮出口管，在所述的上真空倉體側壁上開有抽真空接口、高、低真空規管接口和電氣接口，所述的液氮存儲倉在上真空倉體內部並焊接在液氮進口管和液氮出口管上，有一側支撐從側面固定液氮存儲倉，在液氮存儲倉的下面有一主製冷面板，該主製冷面板與一紫銅板平臺固定連接，所述的光學單元的所有元器件都安裝在所述的紫銅板平臺上，所述的光學單元包括孔徑光闌和管狀光闌組，光束經過所述的孔徑光闌和管狀光闌組直接入射到前方鍍金平面鏡上，鍍金平面鏡將光束反射到鍍金平面鏡下方的主離軸拋物鏡，主離軸拋物鏡將光束反射出去，經過兩個消雜光光闌並會聚在位於兩個消雜光光闌後側的視場光闌處，在視場光闌的前側放置一斬光器，當斬光器的斬光葉片打開時，光束經過孔徑光闌到達次離軸拋物鏡，當斬光器的斬光葉片合上時，光束被斬光葉片反射到雜散光收集器中，所述的雜散光收集器有一錐形的黑體腔，其中到達次離軸拋物鏡的光束被次離軸拋物鏡反射並會聚後到達分色片，波長小於5. 5μπι的光束被分色片反射，後經過濾色片一被位於濾色片一後側的InSb探測器接收，波長大於7 μ m的光束直接透過分色片經過濾色片二被位於濾色片二後側的HgCdTe探測器接收；所述的光學單元外面罩有一屏蔽罩，所述的下真空罩罩在屏蔽罩的外面並與所述的側支撐連接，從而使上真空倉體和下真空罩相連，所述的下真空罩側壁上開有一通孔，一 ZnSe窗口固定在通孔上，所述的通孔的位置要使通過ZnSe窗口的光束能進入到光學單元中的管狀光闌組和視場光闌中；所述的外圍數據採集單元包括有前放電路盒，所述的前放電路盒內是放大電路，與放大電路輸出端依次相連接的有鎖相放大器、數據採集器和PC電腦，放大電路的輸入端通過機械結構單元中的電氣接口分別與光學單元中的InSb探測器和HgCdTe探測器的輸出端相連接。本發明的特徵還在於所述的所有的光學鏡片均採用以下方式固定所述的所有的光學鏡片均採用以下方式固定包括鏡架機座和鏡片壓片，所述的鏡架機座是一個L形板，所述的L形板的豎直面的上部為半圓弧形，在豎直面的外側以所述半圓弧形的圓心為中心開有一凹槽，將所要固定的光學鏡片放入凹槽內，在所述凹槽的底部開有若干螺紋通孔一，分別有若干與所述螺紋通孔一相匹配的調節螺絲從所述豎直面的內側擰進螺紋通孔一內且調節螺絲的長度大於螺紋通孔一的深度，從而調節螺絲的端部將頂住光學鏡片，使光學鏡片與凹槽底部之間有空隙，在凹槽的周邊開有若干螺紋通孔二，所述的鏡片壓片為一環形板，在環形板的圓周上開有與螺紋通孔二相對應的螺紋通孔三，分別有若干與螺紋通孔三相匹配的壓緊螺絲將鏡片壓片和鏡架機座固定連接，從而將凹槽內的光學鏡片固定的卡在凹槽內，在每個壓緊螺絲上都套有一彈簧，彈簧在壓緊螺絲與鏡片壓片之間，通過擰動調節螺絲，來調節光學鏡片的位置和角度；所述的上真空倉體的頂端有一吊耳；所述的液氮出口管連接有壓力表組件；所述的紫銅板平臺是圓形的，且各元器件與圓形紫銅板平臺之間都塗有導熱脂；所述的主製冷面板與紫銅板平臺之間塗有導熱脂並通過8個螺栓連接；所述的ZnSe窗口的有效通光口徑為Φ54毫米，遠大於視場光闌和孔徑光闌的尺寸； 所述的斬光器的工作頻率為46. 40Hz，穩定性為±0. 003Hz ;所述的濾色片一的中心波長為5 μ m,帶寬為I μ m,濾色片二的中心波長為10 μ m,帶寬為I μ m ;所述的管狀光闌組、斬光器、次離軸拋物鏡、InSb探測器和紫銅板平臺上分別貼有溫度傳感器；所述的ZnSe窗口通過螺栓組與通孔連接，中間墊有密封圈；所述的上真空倉體與下真空罩之間墊有密封圈； 所述的下真空罩的底部邊緣開有8個Φ12毫米的固定孔；各器件的供電及信號傳輸都通過一個55頭的芯座與外部設備連接；所述的液氮存儲倉能存儲約15L的液氮；所述的屏蔽罩內表面塗有紅外吸收層。本發明的優點是採用了非接觸式黑體絕對輻射溫度測量方法，避免了接觸式溫度計測量誤差大的缺陷，從而對接觸式溫度計測量黑體輻射溫度進行修正，提高了信噪比， 將黑體輻射溫度的測量精度降到O. 2K以內。
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具體實施例方式一種可攜式雙波段熱紅外輻亮度計，包括有機械結構單元、光學單元和外圍數據採集單元，所述的機械結構單元如圖2所示，包括有上真空倉體20、下真空罩36和液氮存儲倉24，所述的上真空倉體20包括有液氮進口管18和液氮出口管21，在上真空倉體20的頂端有一吊耳17，液氮出口管21還連接有壓力表組件19，能對液氮存儲倉24的壓力實時監測，防止由於倉內壓力過大發生事故；在所述的上真空倉體20側壁上開有抽真空接口 22， 高、低真空規管接口 23和電氣接口 25，所述的液氮存儲倉24在上真空倉體20內部並焊接在液氮進口管18和液氮出口管21上，有一側支撐26從側面固定液氮存儲倉24，液氮存儲倉24能存儲約15L的液氮，在液氮存儲倉24的下面有一主製冷面板27，該主製冷面板27 通過8個螺栓28連接著一圓形的紫銅板平臺1，主製冷面板27與紫銅板平臺I之間塗有導熱脂，所述的光學單元29的所有元器件都安裝在所述的紫銅板平臺I上，紫銅板平臺I與各元器件之間也塗有導熱脂，能有效的冷卻光學器件，所述的光學單元29如圖I所示，包括孔徑光闌2和管狀光闌組3，光束經過所述的孔徑光闌2和管狀光闌組3直接入射到前方鍍金平面鏡4上，鍍金平面鏡4將光束反射到鍍金平面鏡4下方的主離軸拋物鏡5，主離軸拋物鏡5將光束反射出去，經過兩個消雜光光闌6並會聚在位於兩個消雜光光闌6後側的視場光闌7處，在視場光闌7的前側放置一斬光器8,該斬光器8的工作頻率為46. 40HZ,穩定性為±0. 003HZ，光束在會聚前經過所述的斬光器8變成特定頻率的交流信號，當斬光器8 的斬光葉片打開時，光束經過視場光闌7到達次離軸拋物鏡10，當斬光器8的斬光葉片合上時，光束被斬光葉片反射到雜散光收集器9中，所述的雜散光收集器9有一個類似正錐黑體的腔，其中到達次離軸拋物鏡10的光束被次離軸拋物鏡10反射並會聚後到達分色片11，波長小於5. 5 μ m的光束被分色片11反射,後經過中心波長為5μηι帶寬為Ιμπι的濾色片一 12 被位於濾色片一 12後側的InSb探測器13接收，波長大於7 μ m的光束直接透過分色片11 經過中心波長為10 μ m帶寬為I μ m的濾色片二 14被位於濾色片二 14後側的HgCdTe探測器15接收；所述的光學單元29外面罩有一屏蔽罩32，該屏蔽罩32內塗有紅外吸收層，能有效的吸收內部雜散光和阻止外部福射對光學系統的幹擾，所述的下真空罩36罩在屏蔽罩 32的外面並通過螺栓組31與所述的側支撐26連接，從而使上真空倉體20和下真空罩36 相連，在上真空倉體20與下真空罩36之間墊有密封圈30，所述的下真空罩36側壁上開有一通孔，一 ZnSe窗口 33通過螺栓組35固定在通孔上，ZnSe窗口 33與螺栓組35之間墊有密封圈34, ZnSe窗口 33的有效通光口徑為Φ54毫米,遠大於孔徑光闌2和視場光闌7的尺寸，從而保證入射光能充滿孔徑光闌2和視場光闌7，在所述的通孔的位置要使通過ZnSe 窗口 33的光束能進入到光學單元29中的管狀光闌組3和孔徑光闌2中，下真空罩36的底部邊緣開有8個Φ12毫米的固定孔，用於測量時與其他平臺等外部設備的固定與連接；所述的外圍數據採集單元包括有前放電路盒38，所述的前放電路盒38內是放大電路，與放大電路輸出端依次相連接的有鎖相放大器39、數據採集器40和PC電腦41，放大電路的輸入端通過機械結構單元中的電氣接口 25分別與光學單元29中的InSb探測器13和HgCdTe 探測器15的輸出端相連接；各器件的供電及信號傳輸都通過一個55頭的芯座與外部設備連接，所述的管狀光闌組3、斬光器8、次離軸拋物鏡10、InSb探測器13和紫銅板平臺I上分別貼有溫度傳感器，用於實時監測各器件的低溫製冷效果。以上所述的所有的光學鏡片均採用以下方式固定所述的所有的光學鏡片均採用以下方式固定包括鏡架機座47和鏡片壓片42，所述的鏡架機座47是一個L形板，所述的L形板的豎直面的上部為半圓弧形，在豎直面的外側以所述半圓弧形的圓心為中心開有一凹槽，將所要固定的光學鏡片放入凹槽內，在所述凹槽的底部開有若干螺紋通孔一，分別有若干與所述螺紋通孔一相匹配的調節螺絲46從所述豎直面的內側擰進螺紋通孔一內且調節螺絲46的長度大於螺紋通孔一的深度，從而調節螺絲46的端部將頂住光學鏡片45，使光學鏡片45與凹槽底部之間有空隙，在凹槽的周邊開有若干螺紋通孔二，所述的鏡片壓片42為一環形板，在環形板的圓周上開有與螺紋通孔二相對應的螺紋通孔三，分別有若干與螺紋通孔三相匹配的壓緊螺絲43將鏡片壓片42和鏡架機座47固定連接，從而將凹槽內的光學鏡片45固定的卡在凹槽內，在每個壓緊螺絲43上都套有一彈簧44，彈簧44在壓緊螺絲43與鏡片壓片42之間，通過擰動調節螺絲44，來調節光學鏡片45的位置和角度。本發明具體工作方式為如圖3所示，液氮通過液氮進口管18進入到液氮存儲倉 24內，由壓力表組件19對液氮存儲倉24內的壓力進行實時監測，抽真空接口 22外接分子泵，上真空倉體20與下真空罩36之間被由分子泵和機械泵組成的抽氣系統抽成真空，有效阻止外部熱量通過空氣傳遞給光學單元，大大提高液氮製冷效果和液氮製冷的保持時間， 高、低真空規管接口 23與真空計連接，能實時監測真空罩內的真空度；接通±12V電源，給系統供電。錐形黑體腔37發射出的紅外光束透過ZnSe窗口 33，經過管狀光闌組3和孔徑光闌2後入射到鍍金平面鏡4上，紅外光束經鍍金平面鏡4放射到主離軸拋物鏡5上，主離軸拋物鏡5將紅外光束反射出去,經過兩個消雜光光闌6並會聚在視場光闌7處,紅外光束在到達次離軸拋物鏡前經過工作頻率為46. 40Hz、穩定性為±0. 003Hz斬光器8變成特定頻率的交流信號，當斬光器8的斬光葉片合上時，紅外光束被斬光葉片反射到雜散光收集器9中，所述的雜散光收集器9有一個錐型形腔，被斬光葉片反射的光被該雜散光收集器9 收集吸收，然後將能量傳到液氮存儲倉24，從而消除此部分雜散光對探測器的影響，當斬光器8的斬光葉片打開時，紅外光束經過視場光闌7到達次離軸拋物鏡10，次離軸拋物鏡10 將紅外光束反射到分色片11，波長小於5. 5μπι的光束被分色片11反射，後經過中心波長為5 μ m帶寬為I μ m的濾色片一 12被InSb探測器13接收，波長大於7 μ m的光束直接透過分色片11經過中心波長為ΙΟμπι帶寬為Ιμπι的濾色片二 14被HgCdTe探測器15接收； 兩探測器將接收的交流信號通過電氣接口 25由55頭的芯座傳到前放電路盒38中，經過前放電路盒38中的放大電路對交流信號進行放大，後傳入鎖相放大器38，鎖相放大器39隻對頻率為46. 40ΗΖ交流信號進行鎖相放大，放大的信號被數據採集器40接收，並將接收的數據輸入到PC電腦41中，PC電腦41中顯示相應的電壓值，通過得出的電壓值計算出溫度值，計算過程如下
設定黑體溫度為313Κ和353Κ兩個溫度點，在實驗室環境下用本發明觀測這兩個溫度點各一小時，每個溫度點測400個數據如下表所示
權利要求
1.一種可攜式雙波段熱紅外輻亮度計，其特徵在於包括有機械結構單元、光學單元和外圍數據採集單元，所述的機械結構單元包括有上真空倉體、下真空罩和液氮存儲倉，所述的上真空倉體包括有液氮進口管和液氮出口管，在所述的上真空倉體側壁上開有抽真空接口、高、低真空規管接口和電氣接口，所述的液氮存儲倉在上真空倉體內部並焊接在液氮進口管和液氮出口管上，有一側支撐從側面固定液氮存儲倉，在液氮存儲倉的下面有一主製冷面板，該主製冷面板與一紫銅板平臺固定連接著，所述的光學單元的所有元器件都安裝在所述的紫銅板平臺上，所述的光學單元包括孔徑光闌和管狀光闌組，光束經過所述的孔徑光闌和管狀光闌組直接入射到前方鍍金平面鏡上，鍍金平面鏡將光束反射到鍍金平面鏡下方的主離軸拋物鏡，主離軸拋物鏡將光束反射出去，經過兩個消雜光光闌並會聚在位於兩個消雜光光闌後側的視場光闌處，在視場光闌的前側放置一斬光器，當斬光器的斬光葉片打開時，光束經過視場光闌到達次離軸拋物鏡，當斬光器的斬光葉片合上時，光束被斬光葉片反射到雜散光收集器中，所述的雜散光收集器有一錐形的黑體腔，其中到達次離軸拋物鏡的光束被次離軸拋物鏡反射並會聚後到達分色片，波長小於5. 5μπι的光束被分色片反射，後經過濾色片一被位於濾色片一後側的InSb探測器接收，波長大於7μπι的光束直接透過分色片經過濾色片二被位於濾色片二後側的HgCdTe探測器接收；所述的光學單元外面罩有一屏蔽罩，所述的下真空罩罩在屏蔽罩的外面並與所述的側支撐連接，從而使上真空倉體和下真空罩相連，所述的下真空罩側壁上開有一通孔，一 ZnSe窗口固定在通孔上，所述的通孔的位置要使通過ZnSe窗口的光束能進入到光學單元中的管狀光闌組和視場光闌中；所述的外圍數據採集單元包括有前放電路盒，所述的前放電路盒內是放大電路， 與放大電路輸出端依次相連接的有鎖相放大器、數據採集器和PC電腦，放大電路的輸入端通過機械結構單元中的電氣接口分別與光學單元中的InSb探測器和HgCdTe探測器的輸出端相連接。
2.根據權利要求I所述的可攜式雙波段熱紅外輻亮度計，其特徵在於所述的所有的光學鏡片均採用以下方式固定包括鏡架機座和鏡片壓片，所述的鏡架機座是一個L形板， 所述的L形板的豎直面的上部為半圓弧形，在豎直面的外側以所述半圓弧形的圓心為中心開有一凹槽，將所要固定的光學鏡片放入凹槽內，在所述凹槽的底部開有若干螺紋通孔一， 分別有若干與所述螺紋通孔一相匹配的調節螺絲從所述豎直面的內側擰進螺紋通孔一內且調節螺絲的長度大於螺紋通孔一的深度，在凹槽的周邊開有若干螺紋通孔二，所述的鏡片壓片為一環形板，在環形板的圓周上開有與螺紋通孔二相對應的螺紋通孔三，分別有若干與螺紋通孔三相匹配的壓緊螺絲將鏡片壓片和鏡架機座固定連接，從而將凹槽內的光學鏡片固定的卡在凹槽內，在每個壓緊螺絲上都套有一彈簧，彈簧在壓緊螺絲與鏡片壓片之間。
3.根據權利要求I所述的可攜式雙波段熱紅外輻亮度計，其特徵在於所述的上真空倉體的頂端有一吊耳；所述的液氮出口管連接有壓力表組件；所述的紫銅板平臺是圓形的，且各元器件與圓形紫銅板平臺之間都塗有導熱脂；所述的主製冷面板與紫銅板平臺之間塗有導熱脂並通過8個螺栓連接。
4.根據權利要求I所述的可攜式雙波段熱紅外輻亮度計，其特徵在於所述的ZnSe 窗口的有效通光口徑為Φ 54毫米，遠大於孔徑光闌和視場光闌的尺寸。
5.根據權利要求I所述的可攜式雙波段熱紅外輻亮度計，其特徵在於所述的斬光的工作頻率為46. 40Hz，穩定性為±0. 003Hz ;所述的濾色片一的中心波長為5 μ m，帶寬為Iμ m,濾色片二的中心波長為10 μ m,帶寬為I μ m。
6.根據權利要求I所述的可攜式雙波段熱紅外輻亮度計，其特徵在於所述的管狀光闌組、斬光器、次離軸拋物鏡、InSb探測器和紫銅板平臺上分別貼有溫度傳感器。
7.根據權利要求I所述的可攜式雙波段熱紅外輻亮度計，其特徵在於所述的ZnSe窗口通過螺栓組與通孔連接，中間墊有密封圈；所述的上真空倉體與下真空罩之間墊有密封圈；所述的下真空罩的底部邊緣開有8個Φ 12毫米的固定孔。
8.根據權利要求I所述的可攜式雙波段熱紅外輻亮度計，其特徵在於各器件的供電及信號傳輸都通過一個55頭的芯座與外部設備連接。
9.根據權利要求I所述的可攜式雙波段熱紅外輻亮度計，其特徵在於所述的液氮存儲倉能存儲約15L的液氮；所述的屏蔽罩內表面塗有紅外吸收層。
全文摘要
本發明公開了一種可攜式雙波段熱紅外輻亮度計，包括有光學單元、機械結構單元和外圍數據採集單元，機械結構單元有液氮存儲倉，有冷卻作用，光學單元的所有器件都安裝在一個圓形紫銅板平臺上，光束通過光學單元，最後中心波長5μm的光束交流信號被InSb探測器接收，中心波長10μm的光束交流信號被HgCdTe探測器接收，兩探測器將接收的光束交流信號傳到放大電路和鎖相放大器，交流信號通過放大電路和鎖相放大器放大後傳到數據採集器，在PC電腦上顯示相應的電壓值，經計算得到溫度值。本發明對接觸式溫度計測量黑體輻射溫度進行修正，提高了信噪比，將黑體輻射溫度的測量精度降到0.2K以內。
文檔編號G01J5/08GK102607711SQ20121008148
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月24日 優先權日2012年3月24日
發明者孟炳寰, 徐駿, 李平付, 李新, 翟文超, 鄭小兵 申請人:中國科學院安徽光學精密機械研究所