一种双楔腔绝对辐射计的制作方法

1.本发明涉及光辐射计量技术领域，尤其涉及一种双楔腔绝对辐射计，用于光功率、辐照度的测量，以及用于基准、标准级的高精度光功率计与辐照度计的制造。


背景技术：

2.绝对辐射计是一种光辐射度测量装置，用于绝对测量光功率或辐照度量值。绝对辐射计通常作为准确度更高一级的计量器具，为市场上常见的各类型功率计、辐照计、辐射表、热流计等相对测量仪器进行量传，是光辐照度(w/m2)和光功率(w)等光辐射度物理量量值的源头。
3.绝对辐射计具有电替代校准功能，可实现辐照度的绝对测量。另外，绝对辐射计在特性上也具有诸多优点：准确度高，受环境温湿度影响小；光谱响应平坦，对极宽波段光辐射可等效的测量，一个探测器即可解决全波段溯源问题；面响应均匀性优于部分特殊类型光电类探测器，且不存在光电探测器的多次镜面反射干扰问题；对辐照入射角限制小；红外波段对比锗、铟镓砷等光电探测器，具备更大测量口径，可满足更多实际应用场合等。
4.绝对辐射计的光辐射吸收体主要分为平面型和腔型。平面型结构相对简单，均匀性好，但因光辐射只存在单次吸收，吸收率相对较低。而腔型结构普遍采用圆锥腔或棱锥腔，以增加反射光吸收次数，具有更高的光吸收率，与更平坦的光谱吸收率。但是，腔型结构中圆锥腔或棱锥腔的三维结构较平面型复杂，体积、质量更大，热平衡时间更长，且接收面的中心处为犄角点，存在均匀性不好，吸收率较低等问题，严重影响计量特性。


技术实现要素：

5.(一)要解决的技术问题
6.有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种双楔腔绝对辐射计，以实现宽光谱范围内光功率或辐照度量值的绝对测量。
7.(二)技术方案
8.为达到上述目的，本发明提供了一种双楔腔绝对辐射计，包括第一矩形平面传感单元1、第二矩形平面传感单元2、第三矩形平面传感单元3、第四矩形平面传感单元4、反射支撑体5和光阑6，其中：
9.第二矩形平面传感单元2平行于光辐射入射法线方向，第一矩形平面传感单元1作为光辐射接收面倾斜地位于第二矩形平面传感单元2上方，使光辐射入射的中心处为平面，且第一矩形平面传感单元1与第二矩形平面传感单元2的夹角≤45
°
，使入射光在第一矩形平面传感单元1与第二矩形平面传感单元2之间多次反射；
10.第三矩形平面传感单元3位于第二矩形平面传感单元2之下且平行于光辐射入射法线方向，第四矩形平面传感单元4作为光辐射接收面倾斜地位于第三矩形平面传感单元3下方，且第三矩形平面传感单元3与第四矩形平面传感单元4的夹角≤45
°
；
11.反射支撑体5，固定连接于第一至第四矩形平面传感单元的侧边，与第一及第二矩
形平面传感单元构成用于光辐射探测的第一楔腔空间，同时与第三及第四矩形平面传感单元构成用于补偿背景漂移的第二楔腔空间；
12.光阑6，设置于第一及第二楔腔空间开口处的反射支撑体5上，用于提供标准面积，并限制光辐射的入射角度，使入射光辐射全部照射至第一至第四矩形平面传感单元上。
13.上述方案中，所述第一楔腔空间与所述第二楔腔空间在空间上形成镜像对称。
14.上述方案中，在所述第一楔腔空间中，所述第一矩形平面传感单元1与所述第二矩形平面传感单元2之间互不接触的留有一狭缝，避免第一及第二矩形平面传感单元在测量时互相影响；所述光阑6的通光口沿入射法线的投影，完整落入所述第一矩形平面传感单元1内，同时所述第二矩形平面传感单元2延长出狭缝一定距离，使通过所述光阑6截面任一点的倾斜入射光皆落入所述第一矩形平面传感单元1与所述第二矩形平面传感单元2上，形成对入光口的闭合。
15.上述方案中，所述第三矩形平面传感单元3贴合于所述第二矩形平面传感单元2之下。
16.上述方案中，所述第一矩形平面传感单元1和所述第三矩形平面传感单元3均包括自上而下依次连接为一体的热沉、平面传感层、平面加热层和吸光涂层，其中：
17.所述热沉温度稳定，与所述平面传感层的第一面连接，作为所述平面传感层的冷端，与所述平面传感层构成传感元，当所述平面传感层相对于第一面的第二面接收光辐射时，所述平面传感层连接所述热沉的第一面提供恒定温度参考，使所述平面传感层形成温差信号；
18.所述平面加热层，采用薄膜柔性电路制造，紧密连接于所述平面传感层的第二面，所述薄膜柔性电路中形成有回路，回路中通过电流产生温升，模拟因辐射导致的温升，为绝对辐射计提供电加热功能，将光功率等效替代为电功率；
19.所述吸光涂层，采用具有吸收光辐射的功能材料，涂覆于所述平面加热层远离所述平面传感层的一侧，用于将光辐射吸收转化为热，形成温升。
20.上述方案中，所述第二矩形平面传感单元2和所述第四矩形平面传感单元4均包括自下而上依次连接为一体的热沉、平面传感层、平面加热层和吸光涂层。
21.上述方案中，所述热沉采用具有高热导率与高热容量的铜、铝、铁或合金材料；所述平面加热层采用聚酯纤维柔性电路、导电银浆、漆包线线圈，或直接镀膜制造于所述平面传感层的第二面；所述热沉、所述平面传感层与所述平面加热层之间采用导热胶连接或者焊接。
22.上述方案中，所述反射支撑体5还连接于所述热沉的两侧，用于所述双楔腔绝对辐射计中各组件相互间的固定；同时，所述反射支撑体5的内壁具有宽波段高反射率，与将从所述吸光涂层逃逸出的光辐射以较高的反射率再次反射回所述吸光涂层，从而增加腔吸收率。
23.上述方案中，所述光阑6的直径小于所述第一及第四矩形平面传感单元沿光阑方向投影尺寸的1/2。
24.上述方案中，所述双楔腔绝对辐射计还包括：间层7，围绕于所述第一至第四矩形平面传感单元与所述反射支撑体5的外侧，与所述反射支撑体5相连接，并且连接点9位于所述第一楔腔空间与所述第二楔腔空间的中线上，用于降低热对流与热传导的影响；以及外
壳8，与所述间层7相连接，连接点9位于所述第一楔腔空间与所述第二楔腔空间的中线上，用于降低热对流与热传导的影响，并对所述双楔腔绝对辐射计进行保护与支撑。
25.(三)有益效果
26.从上述技术方案可以看出，本发明提出的这种双楔腔绝对辐射计，具有以下优点：
27.1、本发明提出的这种双楔腔绝对辐射计，采用楔形腔作为光辐射接收结构，相对于传统圆锥腔或棱锥腔，光辐射接收面为平面，在保证宽光谱高吸收率的同时，从物理结构上决定了其相对其他类型绝对辐射计具有更好的面均匀性。同时，平面的传感层与加热层相对于圆锥等三维构型可以制造的更纤薄，因此，器件具有更短的热弛豫时间，以及更高的光电等效性，提高了绝对辐射计的响应速度与准确度。
28.2、本发明提出的这种双楔腔绝对辐射计，第一至第四矩形平面传感单元均采用平面型结构，使得平面传感层、附着其上的平面加热层、以及吸光涂层均能够采用标准化加工工艺进行批量加工、制造及快速装配，解决了生产制造中的标准化与效率问题，改善了量产器件的一致性与计量特性。
29.3、本发明提出的这种双楔腔绝对辐射计，采用镜像对称的双楔型腔结构，第一楔腔空间用于光辐射探测，第二楔腔空间用于补偿背景漂移，降低了测量噪声。同时本发明设置了间层，其与楔腔空间及外壳的连接点，皆位于镜像对称面上，进一步降低了热对流与热传导的影响，提高了绝对辐射计在受到环境扰动后的平衡态恢复速度。
附图说明
30.所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，上述附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，根据这些附图获得其他的附图也在本发明的保护范围内。
31.图1为依照本发明实施例的双楔腔绝对辐射计的立体结构的侧向补充结构示意图。
32.图2为依照本发明实施例的双楔腔绝对辐射计的剖面示意图。
33.图3为依照本发明实施例的双楔腔绝对辐射计的间层连接方式示意图。
34.附图说明：
35.1、第一矩形平面传感单元
36.11、第一吸光涂层；12、第一平面加热层；13、第一平面传感层；14、第一热沉；
37.2、第二矩形平面传感单元
38.21、第二吸光涂层；22、第二平面加热层；23、第二平面传感层；24、第二热沉；
39.3、第三矩形平面传感单元
40.31、第三吸光涂层；32、第三平面加热层；33、第三平面传感层；34、第三热沉；
41.4、第四矩形平面传感单元
42.41、第四吸光涂层；42、第四平面加热层；43、第四平面传感层；44、第四热沉；
43.5、反射支撑体
44.6、光阑
45.7、间层
46.8、外壳
47.9、连接点
具体实施方式
48.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
49.本发明公开了一种双楔腔绝对辐射计，采用楔形腔作为光辐射接收结构，具有第一楔腔空间和第二楔腔空间构成双楔型腔结构。本发明提供的双楔腔绝对辐射计，用于复现光辐照度(w/m2)和光功率(w)量值，具有光辐照度(w/m2)和光功率(w)的绝对测量能力。
50.图1～图3从不同角度分别描述了本发明实施例提供的双楔腔绝对辐射计的设计原理与结构特征。
51.如图1和图2所示，本发明实施例提供的这种双楔腔绝对辐射计，包括第一矩形平面传感单元1、第二矩形平面传感单元2、第三矩形平面传感单元3、第四矩形平面传感单元4、反射支撑体5和光阑6，其中：
52.第二矩形平面传感单元2平行于光辐射入射法线方向，第一矩形平面传感单元1作为光辐射接收面倾斜地位于第二矩形平面传感单元2上方，使得光辐射入射的中心处为平面。第一矩形平面传感单元1与第二矩形平面传感单元2存在一对相互平行的对边，且对边所在平面构成的夹角≤45
°
，使入射光在第一矩形平面传感单元1与第二矩形平面传感单元2之间多次反射，从而被涂层充分吸收；
53.第三矩形平面传感单元3位于第二矩形平面传感单元2之下且平行于光辐射入射法线方向，第四矩形平面传感单元4作为光辐射接收面倾斜地位于第三矩形平面传感单元3下方，且第三矩形平面传感单元3与第四矩形平面传感单元4的夹角≤45
°
。
54.反射支撑体5，固定连接于第一至第四矩形平面传感单元的侧边，与第一及第二矩形平面传感单元构成用于光辐射探测的第一楔腔空间，同时与第三及第四矩形平面传感单元构成用于补偿背景漂移的第二楔腔空间；
55.光阑6，设置于第一及第二楔腔空间开口处的反射支撑体5上，用于提供标准面积，并限制光辐射的入射角度，使光辐射入射光全部照射至第一至第四矩形平面传感单元上。
56.在本发明的一个实施例中，所述第一楔腔空间与所述第二楔腔空间在空间上形成镜像对称。两楔腔空间在空间上形成镜像对称，其中第一及第二矩形平面传感单元构成的第一楔腔空间用于光辐射探测，第三及第四矩形平面传感单元构成的第二楔腔空间用于补偿背景漂移。
57.在本发明的一个实施例中，在所述第一楔腔空间，所述第一矩形平面传感单元1与所述第二矩形平面传感单元2之间互不接触的留有一狭缝，避免第一及第二矩形平面传感单元在测量时互相影响。所述光阑6的通光口沿入射法线的投影，完整落入所述第一矩形平面传感单元1内，同时所述第二矩形平面传感单元2延长出狭缝一定距离，使通过所述光阑6截面任一点的倾斜入射光也可皆落入所述第一矩形平面传感单元1与所述第二矩形平面传感单元2上，形成对入光口的闭合。
58.在本发明的一个实施例中，在所述第二楔腔空间，所述第三矩形平面传感单元3贴合于所述第二矩形平面传感单元4之下。所述第三矩形平面传感单元3与所述第四矩形平面
传感单元4之间互不接触的留有一狭缝，避免第三及第四矩形平面传感单元在测量时互相影响。
59.在本发明的一个实施例中，如图1和图2所示，第一矩形平面传感单元1、第二矩形平面传感单元2、第三矩形平面传感单元3和第四矩形平面传感单元4作为本发明提供的双楔腔绝对辐射计的传感部件。
60.在本发明的一个实施例中，如图2所示，所述第一矩形平面传感单元1包括自上而下依次连接为一体的第一热沉14、第一平面传感层13、第一平面加热层12和第一吸光涂层11。其中，所述第一热沉14温度稳定，与所述第一平面传感层13的第一面(即远离第一楔腔空间的一面)连接，作为所述第一平面传感层13的冷端，与所述第一平面传感层13构成传感元，当所述第一平面传感层13相对于第一面的第二面(即靠近第一楔腔空间的一面)接收光辐射时，所述第一平面传感层13连接所述第一热沉14的第一面提供恒定温度参考，使所述第一平面传感层13形成温差信号。所述第一平面加热层12采用薄膜柔性电路制造，紧密连接于所述第一平面传感层13的第二面(异于热沉端的一面)，所述薄膜柔性电路中形成有回路，回路中通过电流产生温升，模拟因辐射导致的温升，为绝对辐射计提供电加热功能，将光功率等效替代为电功率。所述第一吸光涂层11，采用具有吸收光辐射的功能材料，涂覆于所述第一平面加热层12远离所述第一平面传感层13的一侧，用于将光辐射吸收转化为热，形成温升。
61.在本发明的一个实施例中，如图2所示，所述第二矩形平面传感单元2包括自下而上依次连接为一体的第二热沉24、第二平面传感层23、第二平面加热层22和第二吸光涂层21。其中，所述第二热沉24温度稳定，与所述第二平面传感层23的第一面(即远离第一楔腔空间的一面)连接，作为所述第二平面传感层23的冷端，与所述第二平面传感层23构成传感元，当所述第二平面传感层23相对于第一面的第二面(即靠近第一楔腔空间的一面)接收光辐射时，所述第二平面传感层23连接所述第二热沉24的第一面提供恒定温度参考，使所述第二平面传感层23形成温差信号。所述第二平面加热层22采用薄膜柔性电路制造，紧密连接于所述第二平面传感层23的第二面(异于热沉端的一面)，所述薄膜柔性电路中形成有回路，回路中通过电流产生温升，模拟因辐射导致的温升，为绝对辐射计提供电加热功能，将光功率等效替代为电功率。所述第二吸光涂层21，采用具有吸收光辐射的功能材料，涂覆于所述第二平面加热层22远离所述第二平面传感层23的一侧，用于将光辐射吸收转化为热，形成温升。
62.在本发明的一个实施例中，如图2所示，所述第三矩形平面传感单元3包括自上而下依次连接为一体的第三热沉34、第三平面传感层33、第三平面加热层32和第三吸光涂层31。其中，所述第三热沉34温度稳定，与所述第三平面传感层33的第一面(即远离第二楔腔空间的一面)连接，作为所述第三平面传感层33的冷端，与所述第三平面传感层33构成传感元，当所述第三平面传感层33相对于第一面的第二面(即靠近第二楔腔空间的一面)接收光辐射时，所述第三平面传感层33连接所述第三热沉34的第一面提供恒定温度参考，使所述第三平面传感层33形成温差信号。所述第三平面加热层32采用薄膜柔性电路制造，紧密连接于所述第三平面传感层33的第二面(异于热沉端的一面)，所述薄膜柔性电路中形成有回路，回路中通过电流产生温升，模拟因辐射导致的温升，为绝对辐射计提供电加热功能，将光功率等效替代为电功率。所述第三吸光涂层31，采用具有吸收光辐射的功能材料，涂覆于
所述第三平面加热层32远离所述第三平面传感层33的一侧，用于将光辐射吸收转化为热，形成温升。
63.在本发明的一个实施例中，如图2所示，所述第四矩形平面传感单元4包括自下而上依次连接为一体的第四热沉44、第四平面传感层43、第四平面加热层42和第四吸光涂层41。其中，所述第四热沉44温度稳定，与所述第四平面传感层43的第一面(即远离第二楔腔空间的一面)连接，作为所述第四平面传感层43的冷端，与所述第四平面传感层43构成传感元，当所述第四平面传感层43相对于第一面的第二面(即靠近第二楔腔空间的一面)接收光辐射时，所述第四平面传感层43连接所述第四热沉44的第一面提供恒定温度参考，使所述第四平面传感层43形成温差信号。所述第四平面加热层42采用薄膜柔性电路制造，紧密连接于所述第四平面传感层43的第二面(异于热沉端的一面)，所述薄膜柔性电路中形成有回路，回路中通过电流产生温升，模拟因辐射导致的温升，为绝对辐射计提供电加热功能，将光功率等效替代为电功率。所述第四吸光涂层41，采用具有吸收光辐射的功能材料，涂覆于所述第四平面加热层42远离所述第四平面传感层43的一侧，用于将光辐射吸收转化为热，形成温升。
64.在本发明的一个实施例中，如图2所示，第一热沉14、第二热沉24、第三热沉34、第四热沉44均采用具有高热导率与高热容量的铜、铝、铁或合金材料。第一平面加热层12、第二平面加热层22、第三平面加热层32和第四平面加热层42均采用聚酯纤维柔性电路、导电银浆、漆包线线圈，或直接镀膜制造于平面传感层的第二面。具体地，第一平面加热层12、第二平面加热层22、第三平面加热层32和第四平面加热层42为绝对辐射计提供电加热功能，是电功率替代光功率，从而实现绝对量值复现与绝对测量功能的关键构件。电加热功率通过测量流过平面加热层的电流，及平面加热层两端的电压计算得到。由于本发明提出的这种双楔腔绝对辐射计，采用楔形腔作为光辐射接收结构，相对于传统圆锥腔或棱锥腔，光辐射接收面为平面，在保证宽光谱高吸收率的同时，从物理结构上决定了其相对其他类型绝对辐射计具有更好的面均匀性。同时，平面的传感层与加热层相对于圆锥等三维构型可以制造的更纤薄，因此，器件具有更短的热弛豫时间，以及更高的光电等效性，提高了绝对辐射计的响应速度与准确度。同时由于第一至第四矩形平面传感单元均采用平面型结构，使得平面传感层、附着其上的平面加热层、以及吸光涂层均能够采用标准化加工工艺进行批量加工、制造及快速装配，解决了生产制造中的标准化与效率问题，改善了量产器件的一致性与计量特性。
65.在本发明的一个实施例中，如图2所示，在制作第一矩形平面传感单元1、第二矩形平面传感单元2、第三矩形平面传感单元3或第四矩形平面传感单元4时，先将平面传感层用导热胶固着在热沉上，再将平面加热层固着在平面传感层上，最后涂覆吸光涂层。
66.在本发明的一个实施例中，如图1和图2所示，所述反射支撑体5还连接于第一热沉14、第二热沉24、第三热沉34及第四热沉44的两侧，用于该双楔腔绝对辐射计中各组件相互间的固定。同时，所述反射支撑体5的内壁具有宽波段高反射率，与将从各吸光涂层逃逸出的光辐射以较高的反射率再次反射回该吸光涂层，从而增加腔吸收率。
67.在本发明的一个实施例中，如图1和图2所示，所述光阑6置于楔腔开口处，可独立存在，或由反射支撑体5、间层7或外壳8构成，用于限制或调整光辐射的入射口径。可选地，所述光阑6的直径小于所述第一及第四矩形平面传感单元沿光阑方向投影尺寸的1/2。这一
结构设计排布，使通过光阑6的任意角度入射光辐射，皆不能通过楔形狭缝，不会导致光束的泄露，而对于准直光束，光阑限制了光束直径，使光束落于第一及第四矩形平面传感单元的中心处，有利于减小因第一至第四矩形平面传感单元不均匀性造成的测量误差。
68.在本发明的一个实施例中，如图3所示，所述双楔腔绝对辐射计还包括间层7，围绕于所述第一至第四矩形平面传感单元与所述反射支撑体5的外侧，与所述反射支撑体5相连接，并且连接点9位于所述第一楔腔空间与所述第二楔腔空间的中线上。具体地，围绕于所述第一至第四矩形平面传感单元与所述反射支撑体5构成的内部主体结构，设计一间层7，所述间层7与内部主体结构通过螺栓相连接。当外壳8存在非对称温度分布时，例如手持等，该连接方式使外壳8传导至间层7的热量统一从中线进入，从而使间层7的温差分布对于两组楔形腔呈对称分布，令各类外界温度波动更易被补偿腔所平衡补偿，进一步降低环境的影响，加快辐射计背景漂移的恢复速度。
69.在本发明的一个实施例中，如图3所示，所述双楔腔绝对辐射计还包括外壳8，与所述间层7相连接，连接点9位于所述第一楔腔空间与所述第二楔腔空间的中线上，进一步隔绝热对流与热传导对第一至第四矩形平面传感单元的干扰，并对所述双楔腔绝对辐射计进行保护与支撑。
70.从上述实施例可以看出，本发明提供的双楔腔绝对辐射计，相对于传统圆锥腔或棱锥腔，光辐射照射面为平面，在保证宽光谱高吸收率的同时，改善了器件面响应均匀性与响应速度，具有测量速度快、准确度高、易于批量生产装配且一致性好等优点。
71.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。