一种红外辐射源模拟装置的制作方法

1.本发明涉及辐射源领域，特别涉及一种红外辐射源模拟装置。


背景技术：

2.红外模拟技术是基于黑体辐射理论，以及材料的热物理特性及表面辐射特性的要求，在现有红外点源模拟、红外成像目标模拟的基础上，研制一种针对特定接收器的红外热源。随着红外成像技术的不断发展，对红外热源的有效辐射面积、有效工作时间和温度稳定性等方面提出了较高的需求。
3.目前，常见的红外模拟方法包括两种，一种是制造黑体，电控加热，该方法一般需要的设备体积较大且消耗功率较大，另一种是燃烧法，该方法便于红外光测设备拍摄目标的运动轨迹，但由于燃料燃烧的状态不稳定，即红外辐射源的稳定性较差，进而使得红外辐射模拟的精确度较低，因此，为了解决上述问题，需要提供一种能够提高红外辐射源的模拟精度的装置。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供了一种红外辐射源模拟装置，该模拟装置能够提高红外辐射源燃烧温度的稳定性，可以降低因红外辐射源温度变化而产生的模拟误差，提高红外辐射源的模拟精度，增加有效工作时间并减少燃料消耗。
5.本发明提供了一种红外辐射源模拟装置，包括：辐射壳罩，内部形成有中空腔体，所述中空腔体的顶部设置有开口，底部朝向所述开口的内表面上设有多个隔板，所述隔板上设有通孔；
6.所述底部被所述隔板分割为多个面积相等的区域，所述区域包括第一区域，所述第一区域为所述隔板围成的区域，所述第一区域中均放置有用于红外辐射的红外药柱；
7.连接件，所述连接件的两个端面分别位于所述通孔的两侧，所述连接件用于连接相邻所述第一区域的红外药柱，以将其中一个所述红外药柱点燃后，通过所述连接件来传递所述红外药柱释放的热量。
8.优选地，所述隔板超出所述底部的高度小于所述中空腔体的深度。
9.优选地，所述第一区域的形状为六边形、圆形、三角形或菱形中的一种。
10.优选地，所述第一区域的数量为至少3个，且每个所述第一区域的边缘相邻接。
11.优选地，所述第一区域的数量大于所述连接件的数量，且二者的数量之差为2；
12.最多有一个所述第一区域中不含有所述连接件。
13.优选地，所述连接件的形状为圆柱体；所述连接件的材质为铁；所述连接件的横截面半径为2～3mm。
14.优选地，所述连接件的长度1通过以下公式确定：
15.16.其中，初始条件、边界条件和目标函数为：
17.t0＝298.15|
t＝0
、t1＝f(t)|
x＝0
、t2＝673.15|
x＝l t＝δt
18.式中，ρ为连接件的密度，c为连接件的比热容，t为连接件内部各点温度值，cv为连接件的体积，δt为连接件内部的传热延时，λ为连接件的导热系数，x为连接件的轴向方向，l为连接件的长度，t0为初始时刻，连接件任意位置的温度，t1为连接件与已燃烧红外药柱相连端面的温度，f(t)为单个红外药柱燃烧过程中平均温度随时间的变化关系，t2为最终时刻，连接件与未燃烧红外药柱相连端面的温度，div为散度符号，grad为梯度符号。
19.优选地，所述辐射壳罩的底部和侧壁面上设有开孔，其中，通过调节所述开孔的开合程度以控制红外药柱的红外辐射强度。
20.优选地，还包括隔热件，所述隔热件位于所述隔板与所述红外药柱之间，所述隔热件用于延缓相邻红外药柱之间的热量传递速度。
21.优选地，所述辐射壳罩的开口处设有环形的安装面，所述安装面上设有孔洞，所述孔洞用于穿过安装螺丝，以将所述辐射壳罩安装在平面上。
22.本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：
23.在本发明中，首先采用隔板将辐射壳罩的底部划分为多个面积相等的区域，并在仅由隔板所围成的第一区域中放置用于红外辐射的红外药柱，之后采用连接件将相邻的红外药柱连接在一起，如此在进行红外模拟过程中，能够使得作为主要辐射源的红外药柱的燃烧状态稳定，温度起伏性较小，进而能够降低红外辐射源温度变化而引起的红外模拟误差，显著提高红外辐射源模拟精度。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1是本发明实施例提供的一种红外辐射源模拟装置的辐射壳罩结构示意图；
26.图2是本发明实施例提供的一种红外辐射源模拟装置的结构示意图；
27.图3是本发明实施例提供的一种红外辐射源模拟装置中一个红外药柱在引燃后120s内的温度及3-5μm辐射强度变化曲线图；
28.图4是本发明实施例提供的一种红外辐射源模拟装置中七个红外药柱同时点燃和七个红外药柱延时点燃的辐射强度随时间变化曲线图；
29.图5是本发明实施例提供的一种红外辐射源模拟装置中连接件的仿真示意图；
30.图6是本发明实施例提供的一种红外辐射源模拟装置中红外辐射源的点火时序图。
31.图中：11-底部；12-顶部；13-隔板；131-通孔；14-第一区域；15-安装面；16-侧壁面；2-连接件；31-第一红外药柱；32-第六红外药柱；33-第七红外药柱；34-引火药包。
具体实施方式
32.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例
中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.燃烧法作为现有技术中常用的红外辐射源，在红外模拟过程，通常将作为红外热源的燃料进行整体引燃，然而由于燃料燃烧的状态不稳定，经引燃后燃料会在一段时间内集中散发较大的热量，之后热量逐渐降低，采用这种方式引燃红外热源进行红外模拟时，红外辐射源的温度上下起伏较大，不仅红外模拟的有效工作时间较短，而且受温度影响使得红外模拟的精度较差，因此，为了解决上述问题，如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种红外辐射源模拟装置，包括：
34.辐射壳罩，内部形成有中空腔体，中空腔体的顶部12设置有开口，底部11朝向开口的内表面上设有多个隔板13，隔板13上设有通孔131；
35.底部11被隔板13分割为多个面积相等的区域，区域包括第一区域141，第一区域14为隔板13围成的区域，第一区域14中均放置有用于红外辐射的红外药柱；
36.连接件2，连接件2的两个端面分别位于通孔131的两侧，连接件2用于连接相邻第一区域14的红外药柱，以将其中一个红外药柱点燃后，通过连接件2来传递红外药柱释放的热量。
37.本发明首先提供了一种辐射壳罩，采用隔板将该辐射壳罩的底部分割为多个模块化区域，其中，仅由隔板所围成的区域为第一区域，第一区域中均放置有用于红外辐射的引火药柱，其他区域(如隔板和辐射壳罩侧壁所围成的区域)中不放置红外药柱，本发明中通过对辐射壳罩的模块化设计，将红外药柱与辐射壳罩中的区域一一对应，辐射壳罩不仅能够将作为辐射源的红外药柱模块化分割，同时辐射壳罩能够起到固定红外药柱，使其在引燃后保持稳定的作用；为了实现红外药柱的持续性引燃，首先在隔板上设置通孔，之后使得连接件穿过隔板的通孔，使得连接件的两个端面分与第一区域中的引火药柱相连接，从而能够将相邻的引火药柱连接在一起，相邻的引火药柱之间能够通过连接件传递热量。在进行红外模拟时，可以采用引火药包引燃其中的一个引火药柱，引火药包燃烧的瞬时温度超过红外药柱燃点，引燃其中一个引火药柱，由于引火药柱之间连接有连接件，连接件能够通过一定时间的热传导将相邻的引火药柱引燃，如此循环，从而能够实现红外药柱的延时燃烧，本发明中提供的红外辐射源模拟装置，不仅能够提高红外辐射源的稳定性，使得红外辐射源的温度上下起伏较低，进而能够有效提高红外模拟的精度，并且在保证红外辐射源消耗较少的燃料下具有较长的有效工作时间。
38.根据一些优选的实施方式，隔板超出底部的高度小于中空腔体的深度。
39.如图1所示，为了将作为红外辐射源的引火药柱更好的固定在辐射壳罩中，并进一步保证引火药柱在后续引燃过程中的延时燃烧，在本发明中，隔板的高度应超出底部的高度，以将各个区域中的引火药柱更好的分离开来，但考虑到后续过程辐射壳罩的安装性，隔板的高度超出底部的高度应小于辐射壳罩的深度；本发明中优选为引火药柱的高度小于等于隔板超出底面的高度。
40.根据一些优选的实施方式，第一区域的形状为六边形、圆形、三角形或菱形中的一种。
41.如图1所示，在本发明中，隔板在辐射壳罩底面所围成的第一区域的形状可以为多
个面积相等的六边形、圆形、三角形或菱形等，本发明中第一区域的形状优选为六边形，该形状使得红外辐射源结构紧凑，在后续引燃过程中能够刚好的满足红外辐射源的延时燃烧，使得红外辐射源的温度起伏性较小，进而能够更好的保证红外辐射模拟的精度，以及红外辐射源的有效工作时间。
42.根据一些优选的实施方式，第一区域14的数量为至少3个，且每个第一区域14的边缘相邻接。
43.在本发明中，辐射壳罩的大小以及隔板在辐射壳罩中分割的第一区域的数量大小，可以根据实际模拟需要的辐射强度以及所需的延时时间进行确定，假设红外药柱为黑体，通过黑体辐射定律公式确定红外药柱的表面积，进而确定辐射壳罩中每个第一区域的面积，例如，假设当引火药包引燃一个红外药柱，当红外药柱辐射强度超过50w/sr时，红外辐射源进入工作状态，此时，红外药柱的表面积大小可以通过以下公式计算得到：
[0044][0045]
式中，i为辐射强度，h为普朗克常数，c为光速，k为波尔兹曼常数，t为某时刻测量的温度值，s为红外药柱的表面积，v为波长λ对应的频率，v＝c/λ，v1为频率下限(例如，对应波长3μm)，v2为频率上限(例如，对应波长5μm)。同时需要说明的是，在本发明中，红外药柱的体积应略小于第一区域的体积，此时能够留出用于放置隔热层等安装结构的空间，避免红外药柱与辐射壳罩的底部直接接触，以防止相邻的红外药柱之间通过底部传热相互引燃；同时当辐射壳罩中第一区域的数量至少为3个时，如此有利于实现红外药柱的延时燃烧，进而能够保证红外辐射源温度的稳定性，避免因温度起伏引起红外辐射源模拟的精度误差。在本发明中，例如当红外药柱的辐射强度超过50w/sr时，红外药柱进入工作状态，此时，通过上述公式可以确定得到每个红外药柱为边长为30mm，厚度为22mm的六边形，红外药柱的燃点为400℃，对其中的一个红外药柱的辐射强度进行测试，其引燃后120s内的温度及3-5μm辐射强度变化曲线如图4所示。
[0046]
根据一些优选的实施方式，第一区域14的数量大于连接件2的数量，且二者的数量之差为2；最多有一个第一区域14中不含有连接件2。
[0047]
如图2所示，在本发明中，第一区域中放置的红外药柱并非均连接有连接柱，连接件与第一区域(引火药柱)的数量满足以下关系，即第一区域的数量大于连接件数量，且第一区域的数量与连接件的数量之差为2，如图6所示，在进行引燃时，可以将引火药包34放置在相邻的第一红外药柱31和第七红外药柱33之间，第七红外药柱33中未设置连接件2，第一红外药柱31和第六红外药柱32中仅设置有一个连接件2，引火药包34初始引燃第一红外药柱31和第七红外药柱33，当第一红外药柱31的辐射强度达到预定强度时，红外辐射源进入工作状态，随后在一定的时间内通过连接件2依次引燃一个引火药柱(按照图中箭头方向)，如此能够实现红外药柱的延时燃烧，为了保证红外药柱之间能够依次引燃，在本发明中，第一区域中的引火药柱中，最多有一个引火药柱中没有连接件，即连接件连接的引火药柱之间必须能够形成如图6所示的不间断的连线。
[0048]
如图6所示，在进行点燃时，引火药包初始引燃两个红外药柱，记为零时刻，随后在第30s、56s、83s、111s、137s通过五个传热连接件分别引燃一个红外药柱，根据如图4比较七
个红外药柱同时点燃的辐射强度实测值和七个红外药柱延时点燃的辐射强度设计值随时间变化曲线，由图4中可以看出，同时点燃七个红外药柱的有效工作时间为105s，辐射强度最大值为324w/sr，稳定度为46％。采用本方案在前150s内的有效工作时间为144s，辐射强度最大值为89w/sr，稳定度为89％。该方法提高了红外辐射源的温度稳定性和有效工作时间；其中，红外辐射源的稳定度可以表示为(有效工作时间内辐射强度的标准差)/有效工作时间内辐射强度的平均值。
[0049]
需要说明的是，本发明中的红外药柱具体指的是采用金属氧化物、氧化剂和粘合剂制备得到的药柱，该药柱主要作为红外辐射的热源体，本发明对红外药柱的具体类型不做限制，例如可以为金属氧化物、氧化剂和粘合剂复合处理后的材质，该材质具有含能高，工作稳定后不掉渣的优点；采用上述材质制备红外药柱，并将红外药柱的形状压实为与第一区域的形状相同的六边形形状，红外药柱的体积应略小于第一区域的体积，如此更有利于实现红外药柱的延时燃烧。
[0050]
根据一些优选的实施方式，连接件2的形状为圆柱体，连接件2的材质为铁；连接件2的横截面半径为2～3mm。
[0051]
同时需要说明的是，本发明中的连接件的形状包括但不限于圆柱体，也可以为螺旋形或折线形等其他形状，只要保证连接件的材质和横截面半径等满足本发明中范围，其效果能够近似于相同横截面积、相同轴向长度的圆柱。
[0052]
根据一些优选的实施方式，连接件2的长度l通过以下公式确定：
[0053][0054]
其中，初始条件、边界条件和目标函数为：
[0055]
t0＝298.15|
t＝0
、t1＝f(t)|
x＝0
、t2＝673.15|
x＝l t＝δt
[0056]
式中，ρ为连接件的密度，c为连接件的比热容，t为连接件内部各点温度值，cv为连接件的体积，δt为连接件内部的传热延时，λ为连接件的导热系数，x为连接件的轴向方向，l为连接件的长度，t0是在初始时刻，连接件任意位置的温度，为设置的默认初始条件，t1是连接件与已燃烧红外药柱相连端面的温度，f(t)是单个红外药柱燃烧过程中平均温度随时间的变化关系(如图3虚线)；t2是在最终时刻，连接件与未燃烧红外药柱相连端面的温度；div为散度符号，grad为梯度符号。
[0057]
在本发明中，连接件的长度，能够决定红外辐射源红外药柱的延时燃烧时间，在确定连接件长度的同时，同时需要考虑连接件本身的材质和形状大小等参数，本发明利用能量平衡方程对连接件的长度进行确定。平衡方程中的初始条件：连接件整体在t＝0时的初始温度t0为室温25℃(298.15k)，平衡方程中的边界条件：连接件与已燃烧红外药柱相连端面的温度根据实际测量的单个红外药柱燃烧过程中平均温度随时间的变化关系确定，如图3所示；平衡方程中的目标函数：对于每一个连接件，在δt时刻，连接件与未燃烧红外药柱相连端面的温度为红外药柱的燃点400℃(673.15k)，δt为连接件内部的传热延时，由图4可知，δt分别为39s，35s，36s，37s，35s，这里均取35s。
[0058]
将上述条件代入能量平衡方程中，通过软件仿真可以计算得到连接件的长度，并且在连接件的长度为38.5mm时，在35s时低温端温度可达400℃，连接件的传热过程仿真图
如图5所示。
[0059]
根据一些优选地实施方式，辐射壳罩的底部11和侧壁面16上均设有开孔，其中，通过调节所述开孔的开合程度以控制红外药柱的红外辐射强度。在本发明中，通过设置辐射壳罩能够对红外辐射源(红外药柱)起到遮蔽作用，并且在辐射壳罩的底部和侧壁面上均设置开孔，并且底部和侧壁面上的开孔的开合程度是可调节的，在本发明中，可以通过调节底部和侧壁面上开孔的开合程度，从而对辐射壳罩中红外药柱的红外辐射强度(即红外辐射源对外辐射的热量)进行调节，开孔的开合程度越大，红外药柱的红外辐射强度越大；同时需要说明的是，本发明对开孔的形状不做具体限定，例如可以为圆形、正方形、长方形或菱形等，同时，开孔的大小和数量多少可以根据实际使用过程中的需求进行确定。
[0060]
根据一些优选地实施方式，还包括隔热件，所述隔热件位于隔板与红外药柱之间，隔热件用于延缓相邻红外药柱之间的热量传递速度。
[0061]
本发明中，为了进一步延缓相邻红外药柱之间的传递速度，可以在辐射壳罩的底部、隔板和红外药柱之间设置隔热件，隔热件可以为现有技术中常见的隔热材料。
[0062]
根据一些优选地实施方式，为了保证红外辐射源整体的稳定性，本发明中辐射壳罩的开口处设有环形的安装面15，安装面上设有孔洞151，孔洞151用于穿过安装螺丝，以将辐射壳罩安装在平面上，从而使得辐射壳罩与平面紧密连接。
[0063]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0064]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。