专利名称：真空低温黑体的控温系统的制作方法
技术领域：
本发明属于空间环境模拟领域，具体来说，本发明涉及一种卫星遥感器红外辐射定标试验用的真空低温黑体控温系统。
背景技术：
连续调温的腔型黑体，是卫星遥感器红外辐射定标的标准辐射源，可以用来标定星载遥感仪器。黑体工作在真空低温环境下，在MOK 360K温度范围内连续可调，通过黑体温度的连续变化，模拟地球不同自然目标温区的辐射。在辐射定标试验中，不仅要求黑体快速连续的到达目标温度，而且要求黑体长时间稳定地维持在目标温度。真空低温黑体控温系统就是针对这种试验需求应运而生的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种真空低温黑体控温系统，该系统能控制点源黑体快速到达目标温度，并且稳定维持在目标温度。为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案一种卫星遥感器红外辐射定标试验用的真空低温黑体控温系统，包括点源黑体、 温度测量传感器、测量仪器、网关、程控电源、交换机及测控软件。其中点源黑体和测控软件为系统的关键组成部分。点源黑体由黑体腔和保护腔组成，黑体腔是带锥口的圆柱内锥腔，保护腔包在黑体腔外部，二者之间是真空的，黑体腔和保护腔具有同样的传热结构，壁上开螺旋槽，外面套上加热套管，两端面焊接，形成冷却流体管路，并在加热套管上安装加热片。钼电阻温度计作为温度测量传感器，放在黑体腔的内锥底部，这里是温度平衡最缓慢的地方。测量仪器按照软件的设定周期，通过测量传感器定时测量黑体腔和保护腔的温度值。测量仪器只有GPIB接口，为了与计算机通讯方便，通过一个网关将GPIB接口转换为LAN接口。两台程控电源分别与黑体腔和保护腔上的加热片相连。程控电源根据控温软件的指令调整电流和电压的输出，控制加热片的加热功率，达到控制黑体温度的目的。计算机和程控电源通过LAN接口进行通讯，为了能同时和2台程控电源以及1台测量仪器通讯，系统配备了交换机。在对黑体进行控温工作时，系统分2个阶段进行控温。系统在升温初期为了提高升温速度，2台电源分别对黑体腔和保护腔加热，并且对黑体腔和保护腔采用模糊规则不同的模糊控制算法。由于黑体腔和保护腔同时升温，加快了黑体的升温速度。系统在升温后期，当黑体腔温度接近某一控温点时，调整电源1的输出为0，停止对黑体腔的加热，只对保护腔进行恒温控制，通过保护腔和黑体腔之间的辐射换热，维持黑体腔的温度稳定，温控系统由升温加热进入维持加热。
在维持加热阶段，为了保证黑体温度的稳定性，保护腔的控温算法2由模糊控制转变为智能PID控制，使保护腔温度满足控制精度。并利用保护腔的温度的稳定性来控制黑体腔的温度稳定性，达到改善系统稳态性能的目的。
图1是真空低温黑体结构。点源黑体的结构是带锥口的圆柱内锥腔。图2是真空低温黑体控温系统结构图。系统是带有2个控温目标的闭环控温系统。图3是真空低温黑体控温原理图。系统对2个控温目标分别采用不同的控温算法。图4是升温IOK的黑体控温曲线。系统在40分钟内达到稳定，稳定性达到 0.lK/30min。图5是升温30K的黑体控温曲线。系统在100分钟内达到稳定，稳定性达到 0. lK/60min。
具体实施例方式以下结合附图对本发明进行详细说明。参照图1，黑体几何腔采用圆柱内锥腔，这是计算发射率最高的腔形。另外，黑体处于低温背景环境中，在腔体开口附近的热损失是一个比较严重的问题，所以在开口处加了一个锥口作为补偿，减少了开口附近的热损失。这种黑体腔结构能有效减小腔体的温度不均勻性，提高发射腔的温度稳定性。参照图2和图3，升温过程开始阶段，为了提高升温速度，2台电源分别对黑体腔和保护腔加热。系统对黑体腔和保护腔分别采用不同的模糊规则进行模糊控制，根据黑体腔和保护腔的温度偏差、温度偏差变化率、加热功率这些参数调整电源的输出，使黑体腔和保护腔同时升温。其中模糊规则是通过多次大气和真空低温环境下调试的数据总结而得出。在升温后期，当黑体腔温度接近某一控温点时，根据加热功率、温度偏差、温度偏差变化率这些参数，黑体腔的控温算法1调整电源1的输出为0，黑体腔热源停止工作，只有保护腔的热源起保温作用，温控系统由升温加热进入维持加热。在维持加热阶段，为了保证黑体温度的稳定性，保护腔的控温算法2由模糊控制转变为智能PID控制。根据目标温度自动调用调试时确定的PID参数，并根据现场实际情况，从系统的稳定性、响应速度和稳态精度等各方面进行模糊推理，在线自动调整PID参数，使PID参数在已确定的数值上下小范围波动，使保护腔温度满足控制精度。进而通过保护腔和黑体腔之间的辐射换热，使黑体腔温度平稳达到目标温度，并利用保护腔的温度的稳定性来控制黑体腔的温度稳定性，达到改善系统稳态性能的目的。参照图4，在某型号红外多光谱辐射定标试验中，系统要进行升温IOK的连续阶梯性控温，对于所有的控温点，系统均能在40分钟内达到稳定，并且稳定性达到0. lK/30min。参照图5，在某型号红外多光谱辐射定标试验中，系统要进行升温30K的连续阶梯性控温，对于所有的控温点，系统均能在100分钟内达到稳定，并且稳定性达到 0. lK/60min。
权利要求
1.一种真空低温黑体控温系统，包括点源黑体、传感器、加热器、数字多用表、程控电源、网关、交换机及测控软件。其中点源黑体和测控软件为系统的关键组成部分。点源黑体的发射腔结构为锥口圆柱内椎腔，黑体腔包在温控层(保护腔)里面，二者之间是真空的。恒温方式采用液氮电加热的恒温方式，靠温控层的加热和冷却，使黑体腔达到并且稳定在某一控温点。测控软件采用模糊控制和智能PID控制相结合的算法对具有辐射关系的黑体腔和保护腔分别进行连续控温，并通过大气和真空低温调试完善模糊控制规则。
2.根据权利要求1所述的真空低温黑体控温系统，其特征在于，点源黑体的锥口圆柱内椎腔，可以有效减小腔体的温度不均勻性，提高发射腔的温度稳定性。
3.根据权利要求1所述的真空低温黑体控温系统，其特征在于，试验操作者只需要输入目标温度，控温软件能自动控制系统达到目标温度，期间不需要任何手动操作。
4.根据权利要求1所述的真空低温黑体控温系统，其特征在于，黑体的控温过程分为升温加热和维持加热2个阶段。升温加热过程中，黑体腔和保护腔同时升温，维持加热过程中，只有保护腔的加热电源工作，通过保护腔和黑体腔之间的辐射换热，利用保护腔的温度稳定性，维持黑体腔的温度稳定性。
5.根据权利要求4所述的真空低温黑体控温系统，其特征在于，黑体在真空低温环境下，控温过程没有产生超调，控温速度快，每升高IOK进行一次的控温工作，40分钟内就能快速达到系统稳定，每升高30K进行一次的控温工作，100分钟内就能快速达到系统稳定。 且系统到达稳定后，稳定性优于0. lK/60min。能同时满足控温时间和控温精度这2个相对矛盾的技术指标。
6.根据权利要求4所述的真空低温黑体控温系统，其特征在于，黑体在真空低温环境下，需要长时间维持在某一特定温度，系统在长达M小时以上的控温过程中，系统稳定性好，稳定性优于0. :3K/24h。
全文摘要
本发明公开了一种真空低温黑体控温系统，包括系统的结构、组成和原理以及系统所采用的控温算法。工作在真空低温环境下的黑体是卫星遥感器红外辐射定标的标准辐射源，黑体控温系统是一种非线性、大滞后、数学模型很难建立的控制系统。在升温初期，本发明对黑体腔和保护腔分别采用不同的模糊控制算法，在升温后期，停止对黑体腔的加热，只对保护腔采用智能PID控制算法，通过两个腔体间的辐射换热维持黑体腔的稳定。通过大气和真空低温环境的多次调试，完善了模糊控制规则。使用多种控温算法相结合的真空低温黑体控温系统已经服务于某型号辐射定标试验，在试验中系统控温精度和稳定性高，保证了黑体作为标准辐射源的工作状态，同时系统的控温时间短，缩短了试验周期，降低了试验成本。
文档编号G05D23/20GK102455720SQ201010523060
公开日2012年5月16日 申请日期2010年10月28日 优先权日2010年10月28日
发明者向艳红, 张容, 李娜, 王宇, 蒋山平, 许杰, 顾苗 申请人:北京卫星环境工程研究所