一种多点控温低温大面源黑体
阅读说明：本技术 一种多点控温低温大面源黑体 (Multi-point temperature control low-temperature large surface source black body ) 是由 杨文� 刘石神 张腾飞 吕慧峰 陶毅 于 2021-09-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多点控温低温大面源黑体,由黑体模块和温控模块两个分体式模块组成,所述黑体模块包括第一壳体以及依次设于第一壳体内的黑体板、半导体制冷器和散热组件,所述温控模块包括第二壳体,所述第二壳体内固定安装有温控组件和电源模块,所述黑体板内设有多个测温点,每个所述测温点均设有与温控组件电连接的温度传感器,所述温控组件和黑体模块均与电源模块电连接,所述温控组件适于依据PID参数进行计算来调节所述半导体制冷器的功率。本发明提高了低温大面源黑体的温度均匀性和稳定性,缩短稳定时间,进而提高系统安全性。(The invention discloses a multi-point temperature control low-temperature large-area source black body which comprises a black body module and a temperature control module, wherein the black body module comprises a first shell, a black body plate, a semiconductor refrigerator and a heat dissipation assembly, the black body plate, the semiconductor refrigerator and the heat dissipation assembly are sequentially arranged in the first shell, the temperature control module comprises a second shell, the temperature control assembly and a power supply module are fixedly arranged in the second shell, a plurality of temperature measuring points are arranged in the black body plate, each temperature measuring point is provided with a temperature sensor electrically connected with the temperature control assembly, the temperature control assembly and the black body module are electrically connected with the power supply module, and the temperature control assembly is suitable for calculating according to PID parameters to adjust the power of the semiconductor refrigerator. The invention improves the temperature uniformity and stability of the low-temperature large-area source black body, shortens the stabilization time and further improves the system safety.)
技术领域
本发明涉及光学特性技术领域，尤其涉及一种多点控温低温大面源黑体。
背景技术
黑体是一种理想物体，它的发射率和吸收率都为1，即能在任何温度下全部吸收所有波长的辐射，并能最大限度地发出辐射。在现实中并不存在理想的黑体，但可以用同样原理制造的设备黑体近似地代替黑体。
设备黑体的主要功能是产生一定温度下的标准辐射，在温度计量中主要用于检定各种辐射温度计，如光学高温计、红外温度计、红外热像仪等。随着科学技术的发展，设备黑体的用途已经不局限于在温度计量方面的应用，在光学方面，已经普遍采用设备黑体作为标准辐射源和标准背景光源。在光学应用中，近年来随着红外技术的发展，面源黑体的应用越来越广泛，并已经开始向低温领域发展，例如红外焦平面阵列探测器、红外成像系统及红外辐射测温系统等都需要各种大面积低温黑体辐射源。
目前，低温大面源黑体普遍采用单点温控，即一个温控点、一个温控器、一个功率元件，这种控制方式，由于热量的传递是由中间向四周传导、辐射的，这就必然导致了中间热、四周凉的结果，温度越高偏差越大，此外由于空气热气流自下而上的影响，大面源黑体表面越往上温度越高，因此大面源黑体，中上位置温度高于中下位置，这种温度梯度就导致了现有大面源黑体表面温度分布不均匀的状况，同时单点温控电流大，系统超调很大、稳定时间慢，另外系统安全性也不高。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足之处而提出一种多点控温低温大面源黑体，提高低温大面源黑体的温度均匀性和稳定性，缩短稳定时间，提高系统安全性。
实现本发明目的技术方案是：
一种多点控温低温大面源黑体，由黑体模块和温控模块两个分体式模块组成，所述黑体模块包括第一壳体以及依次设于第一壳体内的黑体板、半导体制冷器和散热组件，所述温控模块包括第二壳体，所述第二壳体内固定安装有温控组件和电源模块，所述黑体板内设有多个测温点，每个所述测温点均设有与温控组件电连接的温度传感器，所述温控组件和黑体模块均与电源模块电连接，所述温控组件适于依据PID(ProportionIntegration Differentiation，比例积分微分)参数进行计算来调节所述半导体制冷器的功率。
进一步地，PID参数包括比例P(Proportional)、积分I(Integral)、微分D(derivative)三个参数，P参数可以即时成比例的反应控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。随着偏差值的加大，闭环系统的超调量加大，系统响应速度加快，但是当增加到一定程度，系统会变得不稳定。I参数主要用于消除静差，提高系统的无差度，I越大，闭环系统的超调量越小，系统的响应速度变慢。D参数可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。适当的调整P、I、D参数，可以使整个控制系统得到良好的性能。PID就是根据输入的偏差值，按照比例P、积分I、微分D的函数关系进行运算，运算结果用以控制输出，通过P、I、D的组合，可有效的纠正被控制对象的偏差，从而使其达到一个稳定的状态。
进一步地，所述黑体板分为上左、上右、下左和下右四个均匀分布的单元区域，每个所述单元区域均设有一个测温点。
进一步地，所述黑体板的材质为铝材，导热性能好。
进一步地，所述半导体制冷器设有四个并分别对应设于黑体板的四个单元区域后端，所述温控组件采用多点分区独立温控，包括四个温控器，每个温控器分别与对应的半导体制冷器电连接并独立控制。
进一步地，所述温控器为数显温控器并采用直流电压的方式控制半导体制冷器；
进一步地，所述第二壳体上固定安装有触摸屏，所述触摸屏与温控器电连接并适于对温控器进行温控。
进一步地，所述第二壳体内设有通讯串口，所述第一壳体上设有第一电连接器，所述第二壳体上设有与通讯串口电连接的第二电连接器，所述温控模块通过连接第一电连接器和第二电连接器实现与黑体模块的电连接。
进一步地，所述散热组件包括依次固定安装在半导体制冷器后端的过渡板、散热翅片组件和散热翅片盖板，所述散热翅片组件的上方固定安装有散热风扇，所述第一壳体的顶部设有正对散热风扇的排风口，所述排风口处设有固定安装在第一壳体上的散热风扇保护罩，所述第一壳体的后侧设有散热槽，所述散热翅片组件和散热翅片盖板延伸至所述散热槽。
进一步地，所述黑体板以及半导体制冷器与第一壳体之间均设有隔热组件，所述隔热组件包括包裹在黑体板和半导体制冷器的外周面上的保温层，设于黑体板的前端与第一壳体之间的隔热板，以及连接黑体板与过渡板的隔热柱。
进一步地，隔热板、隔热柱为FR-4环氧板，具有良好的机械加工性，耐热、隔热性能优良；保温层为聚氨酯，具有优异的隔热性能。
进一步地，所述黑体板的前端设有防结霜组件，所述防结霜组件包括从前至后依次固定安装在第一壳体上并位于黑体板前端的保护前罩和气帘，所述保护前罩上活动安装有窗口隔板，所述气帘上设有气体入口，外部气体通过所述气体入口进入气帘并形成气幕。
进一步地，所述气帘包括框架以及设于框架内并连通气体入口的空腔，所述框架的内壁设有多个与所述空腔相连通的小孔。
进一步地，所述第二壳体的后侧还设有USB接口、保险丝和供电接口，所述触摸屏的一侧设有启停开关。通过供电接口给启停开关供电，启停开关给电源模块供电，并控制整个系统启停，设计简洁，使用安全。
采用了上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：
(1)本发明温控模块和黑体模块为两个独立式模块，将一体式设备分成两个独立模块，能够减小设备的体积，便于移动和使用，同时降低制造和后期维修成本，当其中一个模块出现故障时可单独维修或更换；黑体板上设有多个测温点，并分别设有相应的温度传感器，实现多点测温，提高低温大面源黑体的温度均匀性和稳定性，缩短稳定时间，提高系统安全性；温控组件依据PID参数进行计算来调节半导体制冷器的功率，提高温度稳定性，延长半导体制冷器的使用寿命。
(2)本发明黑体板分为上左、上右、下左和下右四个均匀分布的单元区域，由于热量的传递是由黑体板中间向四周传导、辐射的，这就必然导致了中间热、四周凉的结果，通过设置四个均匀分布的单元区域，并在每个区域均设置测温点，进一步提高测温均匀性和稳定性。
(3)本发明半导体制冷器设有四个并分别对应设于黑体板的四个单元区域后端，同时温控组件采用多点分区独立温控，通过四个温控器分别独立控制四个半导体制冷器，减少了系统超调，提高了稳定时间，同时有效地改善了黑体板表面的温度分布梯度，有效地减少温度分布不均匀带来的不良影响；利用多温度点进行温度校正，保证温度的准确性；同时，通过温控器不仅能够调节半导体制冷器的电压大小，还能够改变半导体制冷器正负引线上电压的相对高低，从而改变电压方向，因此温控器的正负引线之间的相对电压值可能为正，也可能为负，无需用户在环境温度改变时更换接线方向，自动控制半导体制冷器实现制冷/制热。
(4)本发明温控器采用数显温控器，更加便于观测温控器的电压和温度等参数；温控器采用直流电压的方式，首先计算一个输出电压，然后由温控器的电压转换装置把电源电压转换成需要的输出电压，采用该方式的温控功率波动小，可实现分辨率0.01℃，稳定性±0.01℃，同时带有自动整定功能，可自动计算出优化的PID系数，简化PID系数设置难度，获得速度快、过冲小、振荡少的温控性能，从而延长半导体制冷器的使用寿命。
(5)本发明第二壳体上固定安装有触摸屏，通过触摸屏对温控器进行温控，操作方便。
(6)本发明通过设置通讯串口、第一电连接器和第二电连接器实现温控模块与黑体模块的电连接，实现两个模块共享一个电源模块，结构设计简洁，节约制造成本。
(7)本发明通过设置散热组件，外部空气在散热风扇的作用下从第一壳体后侧的散热槽流经散热翅片组件，再通过第一壳体上端的排风口排出，由于散热翅片组件和散热翅片盖板延伸至后侧的散热槽，在增大散热翅片组件的散热面积的同时，使得热量尽可能的从排风口排出，避免扩散，由于热量在自然状态下向上发散，将排风口设置在上端，进一步提高散热性能，从而保证半导体制冷器的制冷、制热性能优良，升降温速率快，提高设备使用性能。
(8)本发明还设有隔热组件，有效隔绝黑体板和半导体制冷器与外界的空气对流，以及黑体板与壳体、散热翅片组件之间的热传递，从而确保设备用于红外标定时的测量精准度。
(9)本发明还设有防结霜组件，由于低温面源黑体的温度准确性直接影响后续温度传递，低温工作时空气与面源黑体表面进行对流换热，会产生结霜的情况，通过设置防结霜组件，当被测系统需要进行校准时，抽出窗口隔板，外部气体进入气帘并形成气幕，能有效阻止空气与黑体板进行对流换热，有效保护黑体板，避免表面结霜；当被测系统校准完即时向保护前罩中插入窗口隔板，避免了引入光学窗口带来的温度误差，从而保证测量结果的准确性，有效保护低温面源黑体，避免表面结霜而影响仪表温度校验。
(10)本发明防结霜组件的气帘包括设有多个小孔的空腔，通过气体入口向气帘中充入氮气，氮气从各个小孔中喷出，从而在面源黑体表面形成的气幕更加均匀，能有效阻止空气与黑体板表面进行对流换热，进一步提高防结霜效果，同时避免了直接向黑体板表面吹干燥气体引起的表面温度变化明显，温度准确度不高的缺陷。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1为本发明控制原理图；
图2为本发明黑体模块俯视方向内部结构示意图；
图3为本发明黑体模块内部结构剖视图；
图4为本发明黑体模块的后视图；
图5为本发明温控模块内部结构示意图；
图6为本发明温控模块的后视图；
图7为本发明防结霜组件的气帘结构示意图。
附图中的标号为：
第一壳体1、第一电连接器1-1、排风口1-2、散热槽1-3；
黑体板2；
半导体制冷器3；
散热组件4、过渡板4-1、散热翅片组件4-2、散热翅片盖板4-3、散热风扇4-4、散热风扇保护罩4-5；
第二壳体5、第二电连接器5-1、USB接口5-2、保险丝5-3、供电接口5-4、启停开关5-5；
温控组件6、温控器6-1、触摸屏6-2；
电源模块7；
温度传感器8；
通讯串口9；
隔热组件10、保温层10-1、隔热板10-2、隔热柱10-3；
防结霜组件11、保护前罩11-1、气帘11-2、框架11-2-1、小孔11-2-2、窗口隔板11-3、气体接头11-4。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
(实施例1)
如图1至图7所示的多点控温低温大面源黑体，由黑体模块和温控模块两个分体式模块组成，将一体式设备分成两个独立模块，能够减小设备的体积，便于移动和使用，同时降低制造和后期维修成本，当其中一个模块出现故障时可单独维修或更换。黑体模块包括第一壳体1以及依次设于第一壳体1内的黑体板2、半导体制冷器3和散热组件4。温控模块包括第二壳体5以及固定安装在第二壳体5内的温控组件6和电源模块7。黑体板2内设有多个测温点，每个测温点均设有与温控组件6电连接的温度传感器8，实现多点测温，提高低温大面源黑体的温度均匀性和稳定性，缩短稳定时间，提高系统安全性。其中温控组件6和黑体模块均与电源模块7电连接，通过温度传感器8采集温度反馈给温控组件6，温控组件6再依据PID参数进行计算来调节半导体制冷器3的功率，从而提高温度稳定性，延长半导体制冷器3的使用寿命。
具体地，第二壳体5内设有通讯串口9，第一壳体1上设有第一电连接器1-1，第二壳体5上设有与通讯串口9电连接的第二电连接器5-1，温控模块通过第一电连接器1-1和第二电连接器5-1的连接实现与黑体模块的电连接。第二壳体5的后侧还设有USB接口5-2、保险丝5-3和供电接口5-4，前侧设有启停开关5-5。通过供电接口5-4给启停开关5-5供电，启停开关5-5给电源模块7供电，并控制整个设备系统启停，设计简洁，使用安全。
本实施例第一壳体1以及第二壳体5均采用厚度为3mm，材质为Q235-A的钢板，整体外形强度好。黑体板2的材质为铝材，导热性能好，前表面均匀分布有多个呈金字塔形的凸起，有效发射率高，达到0.99±0.01。在本实施例中，黑体板2分为上左、上右、下左和下右四个均匀分布的单元区域，每个单元区域均设有一个测温点，由于热量的传递是由黑体板2中间向四周传导、辐射的，这就必然导致了中间热、四周凉的结果，通过设置四个均匀分布的单元区域，并在每个区域均设置测温点，进一步提高测温均匀性和稳定性。
温度传感器8采用10k1％B＝3950NTC热敏电阻，设有四个并插入黑体板2的四个测温点，用于采集黑体板2的四个单元区域的温度。半导体制冷器3设有四个并分别对应设于黑体板2的四个单元区域后端，最大温差60℃，最大电流18A，最大电压18V，通过改变电流方向，进而改变热量流动方向，既可以制冷，又可以制热，满足设备对于不同环境温度的测试要求，同时具有较大的外形尺寸80×120mm，有效保证黑体板2的表面温度均匀性≤0.15℃。
温控组件6采用多点分区独立温控，包括四个独立的温控器6-1，每个温控器6-1分别与对应的半导体制冷器3电连接并独立控制。温控组件6采用多点分区独立温控，通过四个温控器6-1分别独立控制四个半导体制冷器3，减少了系统超调，提高了稳定时间，同时有效地改善了黑体板2表面的温度分布梯度，有效地减少温度分布不均匀带来的不良影响；利用多温度点进行温度校正，保证温度的准确性；同时，通过温控器6-1不仅能够调节半导体制冷器3的电压大小，还能够改变半导体制冷器3正负引线上电压的相对高低，从而改变电压方向，因此温控器6-1的正负引线之间的相对电压值可能为正，也可能为负，无需用户在环境温度改变时更换接线方向，自动控制半导体制冷器3实现制冷/制热。
传统的低温大面源黑体的温控器采用脉冲电压输出的方式控制半导体制冷器，由于半导体制冷器上的电压波形为方形脉冲，温控功率有突变，导致温度稳定性不高，一般稳定性为±1℃，而且由于电压突变，会降低半导体制冷器的寿命。本实施例温控器6-1为数显温控器并采用直流电压的方式控制半导体制冷器，型号为TCM1031，更加便于观测温控器6-1的电压和温度等参数。通过采用直流电压的方式，首先计算一个输出电压，然后由温控器6-1的电压转换装置把电源电压转换成需要的输出电压，采用该方式的温控功率波动小，可实现分辨率0.01℃，稳定性±0.01℃，同时带有自动整定功能，可自动计算出优化的PID系数，简化PID系数设置难度，获得速度快、过冲小、振荡少的温控性能，从而延长半导体制冷器3的使用寿命。本实施例的第二壳体5上固定安装有与温控器6-1电连接触摸屏6-2，通过触摸屏6-2对温控器6-1进行温控，操作方便，温度设置范围为0～80℃，满足大部分用户使用需求。
散热组件4包括依次固定安装在半导体制冷器3后端的过渡板4-1、散热翅片组件4-2和散热翅片盖板4-3，散热翅片组件4-2的上方固定安装有散热风扇4-4，第一壳体1的顶部设有正对散热风扇4-4的排风口1-2，排风口1-2处设有固定安装在第一壳体1上的散热风扇保护罩4-5。第一壳体1的后侧设有散热槽1-3，散热翅片组件4-2和散热翅片盖板4-3延伸至散热槽1-3，在增大散热翅片组件4-2的散热面积的同时，使得热量尽可能的从排风口排出，避免扩散。外部空气在散热风扇4-4的作用下从第一壳体1后侧的散热槽1-3流经散热翅片组件4-2，再通过第一壳体1上端的排风口1-2排出，由于热量在自然状态下向上发散，将排风口1-2设置在上端，进一步提高散热性能，从而保证半导体制冷器3的制冷、制热性能优良，升降温速率快，提高设备使用性能。
为了隔绝黑体板2和半导体制冷器3与外界的空气对流，以及黑体板2与第一壳体1、散热翅片组件4-2之间的热传递，本实施例黑体板2以及半导体制冷器3与第一壳体1之间均设有隔热组件10，包括保温层10-1、隔热板10-2和隔热柱10-3。半导体制冷器3的冷端涂覆导热硅脂并与黑体板2连接，热端涂覆导热硅脂与过渡板4-1连接。保温层10-1包裹在黑体板2和半导体制冷器3的外周面上的，隔热板10-2设于黑体板2的前端与第一壳体1之间，隔热柱10-3连接黑体板2与过渡板4-1，从而确保设备用于红外标定时的测量精准度。其中保温层10-1为聚氨酯，具有优异的隔热性能，隔热板10-2、隔热柱10-3为FR-4环氧板，具有良好的机械加工性，耐热、隔热性能优良,。
由于低温面源黑体的温度准确性直接影响后续温度传递，为了防止低温工作时空气与面源黑体表面进行对流换热，产生结霜的情况，而影响仪表温度校验，本实施例的黑体板2的前端还设有防结霜组件11。现有的常用防结霜方案分为三种：第一种是直接向面源黑体表面吹干燥气体，该方案的优点是防结霜效果明显，但是因氮气温度与面源黑体温度存在差别，面源黑体表面温度变化明显，温度准确度不高；第二种是将面源黑体表面封装在一个充满干燥氮气的箱内，用光学窗口密封，这种方案的优点是是设计简单，但由于光学窗口透过率没法实现1，而引入窗口温度误差，在计算测量结果时需要对其进行修正，另一方面光学窗口透过率0.99以上也会造成加工成本高；第三种是将面源黑体与被测系统一起放置在充满氮气的罩子内，该方案的优点是被测系统与面源黑体之间无其他装置引入温度误差，但是由于被测系统的种类繁多，会出现各种体积被测系统，而且被测系统与面源黑体之间的距离有远有近，这种方案会需要针对各种被测系统加装各种不同罩子，种类繁多、体积庞大造成成本高。本实施例通过增加防结霜组件11，能够有效解决以上三种方案出现的问题。
具体地，防结霜组件11包括从前至后依次固定安装在第一壳体1上并位于黑体板2前端的保护前罩11-1和气帘11-2，保护前罩11-1上安装有可上下抽拉窗口隔板11-3，本实施例外部气源优选氮气。气帘11-2上设有三个气体入口，每个气体入口均设有一个气体接头11-4，外部气体通过气体入口进入气帘11-2并形成气幕，保证黑体板2前的气幕的均匀性，避免只有一部分面出氮气，而引起其他未吹到氮气的面结露。气体接头11-4为铜镀镍MPL6-M6直角气动快插接头，可快速连接PU管、尼龙管，使用方便。保护前罩11-1为POM件，气帘11-2为白色光敏树脂3D打印件，窗口隔板11-3为透明的有机玻璃罩，高透明度，加工性能好，成本低，便于观察面源黑体的表面状态。
保护前罩11-1的上端面设有通槽，底部内壁设有凹槽，窗口隔板11-3穿过通槽并插入凹槽内实现抽拉与固定。气帘11-2包括框架11-2-1以及设于框架11-2-1内并连通气体入口11-4的空腔，框架11-2-1的内壁设有多个与空腔相连通的小孔11-2-2。当被测系统需要进行校准时，抽出窗口隔板11-3，通过气管连接气体接头11-4和外部气源，氮气通过气体入口进入气帘11-2内，氮气从各个小孔11-2-2喷出，从而在面源黑体表面形成均匀的气幕，能有效阻止空气与面源黑体表面进行对流换热，同时避免了直接向面源黑体表面吹干燥气体引起的面源黑体表面温度变化明显，温度准确度不高的缺陷，从而保证本设备面源黑体的测量准确性。
本实施例提高了低温大面源黑体的温度均匀性、稳定性和准确性，同时缩短稳定时间。温控模块和黑体模块为两个独立式模块，将一体式设备分成两个独立模块，能够减小设备的体积，便于移动和使用，同时降低制造和后期维修成本，当其中一个模块出现故障时可单独维修或更换。
通过触摸屏6-2操作控制温控器6-1来控制半导体制冷器3工作，依据PID参数进行计算来调节半导体制冷器3的功率，提高温度稳定性；黑体板3上设有多个测温点，并分别设有相应的温度传感器8，实现多点测温，提高低温大面源黑体的温度均匀性和稳定性。温控组件6采用多点分区独立温控，通过四个温控器6-1分别独立控制四个半导体制冷器3，减少了系统超调，提高了稳定时间，同时有效地改善了黑体板2表面的温度分布梯度，有效地减少温度分布不均匀带来的不良影响，并实现自动控制半导体制冷器3的制冷/制热。
此外，通过在黑体板2的前端设置防结霜组件11，有效保护低温面源黑体，避免表面结霜，能够提高低温面源黑体的温度准确性，并且使用方便。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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