辐射亮度补偿式热辐射红外光源系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及一种具有福射亮度补偿控制的热福射红外光源系统，应用于光 学、红外检测、福射亮度测量等领域。
【背景技术】
[0002] 热福射红外光源是一种W产生红外福射为主要目的的非照明用光源，常用于红外 光谱反射率和透过率测量、薄膜厚度检测、非接触式福射加热技术领域;红外光源光谱福射 输出的稳定性是上述测量或检测技术获得良好准确性和重复性的根本保证。
[0003] 碳化娃、氮化娃等高溫陶瓷材料通电加热后在波长为2-20WI1范围内近似黑体福 射，具有较高的福射效率，是热福射红外光源的首选发热体。传统的陶瓷热福射红外光源主 要由发热体、调整光路、稳流电源=部分组成，陶瓷发热体在稳流电源输出的恒定电流作用 下将电能转化为热能，经调整光路后获得汇聚或平行的连续光谱福射。
[0004] 传统热福射红外光源对光谱福射亮度的控制属于开环控制，如图1所示，其光谱福 射输出的稳定性仅依赖于稳流电源的恒流特性。然而，受发热体表面氧化现象影响，发热体 表面光谱发射率随之发生变化，势必造成光源输出的光谱福射亮度改变;此外，随着工作时 间的延长，陶瓷发热体不可避免的出现自身老化现象，导致红外光源光谱福射亮度输出的 发生变化。可见，即使在精密稳流电源能够输出恒定电流的情况下，开环控制的传统热福射 红外光源受陶瓷发热体表面发射率变化和自身老化现象的影响，其光谱福射亮度的稳定性 也难W保证。 【实用新型内容】
[0005] 为解决热福射红外光源输出的福射亮度的不稳定性，本实用新型提供了一种福射 亮度补偿式热福射红外光源系统。
[0006] 为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案，本实用新型系统包括陶瓷发热 体、调节光路和稳流电源，其结构要点是：调节光路由输出光路和测量光路组成，陶瓷发热 体通过功率调节器在稳流电源输出的恒定电流作用下将电能转化为热能，陶瓷发热体发射 的光谱福射大部分经输出光路调整成平行输出福射的同时，少部分的光谱福射经测量光路 汇聚后发给福射亮度补偿单元，福射亮度补偿单元通过功率调节器对稳流电源的输出功率 进行调节，实现对陶瓷发热体福射亮度的稳定控制。
[0007] 进一步改进技术方案，福射亮度补偿单元由红外探测器、信号处理电路和补偿控 制器组成，经测量光路汇聚后投射在红外探测器上的光谱福射，经红外探测器光电转化成 微弱电信号，经信号处理电路进行整形、滤波、放大后进入到补偿控制器，补偿控制器根据 反馈的电信号变化量对功率调节器进行功率调解。
[000引本实用新型有益效果：
[0009]本实用新型提供的福射亮度补偿式热福射红外光源与传统红外光源之间存在明 显区别，主要体现在调整光路中包含有输出和测量两个光路，陶瓷发热体发射的红外福射 经输出光路调整成平行输出福射的同时，在输出光路中巧妙的设计有测量光路，能够实现 对光源输出福射亮度的同步测量;补偿控制器根据输出福射亮度的测量值及时对稳流电源 的输出电流进行调节，实现对发热体的福射亮度的闭环控制，使红外光源的输出福射亮度 具有良好的稳定性和抗干扰性。
【附图说明】
[0010] 图1是现有技术的陶瓷发热体热福射红外光源系统示意图；
[0011] 图2是本实用新型的系统示意图；
[0012] 图3是本实用新型光路设计图；
[0013] 1-陶瓷发热体，2-稳流电源，3-调整光路，31-输出光路，32-测量光路，4-福射亮度 补偿单元，41-红外探测器，42-信号处理电路，43-补偿控制器，5-功率调节器。
【具体实施方式】
[0014] 下面结合附图2-3对本实用新型做进一步技术描述：
[0015] 如图2-3所示，本实用新型系统包括陶瓷发热体1、调节光路3和稳流电源2,调节光 路由输出光路31和测量光路32组成，陶瓷发热体1通过功率调节器5在稳流电源2输出的恒 定电流作用下将电能转化为热能，陶瓷发热体1发射的光谱福射大部分经输出光路31调整 成平行输出福射的同时，少部分的光谱福射经测量光路32汇聚后投射在红外探测器41上， 经红外探测器41光电转化成微弱电信号，经信号处理电路42进行整形、滤波、放大后进入到 补偿控制器43，补偿控制器43根据反馈的电信号变化量对功率调节器5进行功率调解，功率 调节器5对稳流电源2的输出功率进行调节，实现对陶瓷发热体1福射亮度的稳定控制。
[0016] 红外光源启动，补偿控制器根据测量光路的福射亮度值对功率调节器进行调节， 控制稳流电源的输出电流，陶瓷发热体在电流作用下产生的红外福射进入输出光路和测量 光路。
[0017] 输出光路由两块凹面金属膜抛物面镜Mi和M2和一块凸面金属膜抛物面镜M3组成。 发热体一侧半球方向的福射经Ml反射后形成平行福射，因化与M2具有相同的曲率，平行福射 被M2反射后应汇聚于等距离的焦点f2处，由于M3是放置于M2与其焦点f2之间，且使其焦点f3 与f2处于同一点上，最后汇聚福射经M3反射后转换成平时福射，并W此作为红外光源的输 出。
[0018] 测量光路的作用是通过楠球面金属膜反射镜M4将与光源输出福射亮度相同的福 射反射并汇聚至位于焦点f4nM4在光轴截面上投影区域对fl的立体角等于M3对fl的立体角 Q，避免了M4对输出光路中平行福射的遮挡，损失光源福射福射的功率，同时又最大程度的 提高了测量光路的输出福射量，提高探测器输出电信号的信噪比。
[0019] 福射亮度补偿单元4主要由红外探测器41、信号处理电路42和补偿控制器43组成， 其工作原理为位于焦点f4上的探测器将福射亮度装换为电信号，信号处理电路对电信号滤 波、放大和运算后得到光源输出的福射亮度，补偿控制器根据当前的福射亮度值计算出稳 流电源的补偿量，控制稳流电源的输出电流的增大或减小，W维持红外光源的输出福射亮 度稳定在初始状态Lo。
[0020] 第i时刻，设红外光源的输出福射亮度为以，那么测量光路输出到红外探测器上的 福射亮度同样也为u，则红外探测器的输出电压为1，
[0021]
(1)
[0022] 式中，R是红外探测器响应度，其值可通过标准黑体福射源标定获得。
[0023] 经信号处理电路的滤波、放大和运算后，得到i时刻红外光源输出的福射亮度值 Li,
[0024] (2)
[0025] 当红外光源的红外福射亮度的期望输出稳定值为Le,则进入补偿控制器的输入值 为鱗，
[0026]
(3)
[0027] 采用PID控制原理（P;ropo;rtion-Integration-Differentiation)，得到补偿控制 器的输出值为議
[002引
（4)
[0029] 式中，kp为比例系数，TI为积分时间常数，I'D为微分时间常数。
[0030] 运样，通过测量被控的福射亮度的实际值以，与期望值的输出福射亮度稳定值Le进 行比较得到偏差隹
补偿控制器利用运个偏差计算出功率调节器的纠正值，控制红 外光谱的输出福射亮度值维持在稳定值Le。
[0031] 本实用新型不局限于上述的优选实施例，凡是与本实用新型具有相同或者相近似 的技术方案，均属于本实用新型的保护范围。
【主权项】
1. 辐射亮度补偿式热辐射红外光源系统，包括陶瓷发热体、调节光路和稳流电源，其特 征在于:调节光路由输出光路和测量光路组成，陶瓷发热体通过功率调节器在稳流电源输 出的恒定电流作用下将电能转化为热能，陶瓷发热体发射的光谱辐射大部分经输出光路调 整成平行输出辐射的同时，少部分的光谱辐射经测量光路汇聚后发给辐射亮度补偿单元， 辐射亮度补偿单元通过功率调节器对稳流电源的输出功率进行调节，实现对陶瓷发热体辐 射亮度的稳定控制。2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于:辐射亮度补偿单元由红外探测器、信号处 理电路和补偿控制器组成，经测量光路汇聚后投射在红外探测器上的光谱辐射，经红外探 测器光电转化成微弱电信号，经信号处理电路进行整形、滤波、放大后进入到补偿控制器， 补偿控制器根据反馈的电信号变化量对功率调节器进行功率调解。
【专利摘要】本实用新型公开了一种辐射亮度补偿式热辐射红外光源系统，其在调整光路中包含有输出和测量两个光路，陶瓷发热体发射的红外辐射经输出光路调整成平行输出辐射的同时，在输出光路中巧妙的设计有测量光路，能够实现对光源输出辐射亮度的同步测量；补偿控制器根据输出辐射亮度的测量值及时对稳流电源的输出电流进行调节，实现对发热体的辐射亮度的闭环控制，使红外光源的输出辐射亮度具有良好的稳定性和抗干扰性。
【IPC分类】G05D25/02, G01J3/12
【公开号】CN205384534
【申请号】CN201620118195
【发明人】张宇峰, 李明, 胡卫星, 付莹, 刘安业, 贾志淳, 邢星, 于占东, 楚春雨
【申请人】渤海大学
【公开日】2016年7月13日
【申请日】2016年2月7日