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基于有限元分析的传热仿真研究及黑体辐射源研制

常稼强  
【摘要】:红外遥感技术是地球观测系统的核心技术,广泛应用于气象、国防、防灾减灾和环境监测等诸多领域。近年来,由于红外遥感技术领域逐渐向高定量化、高光谱分辨、高位置分辨方向发展,对红外遥感领域的计量溯源提出了迫切的要求。因此,黑体辐射源的研制技术的提升迫在眉睫。黑体辐射源作为标准源(理想黑体的内部温场是均匀等温场),用来标定各种测量仪器,其控温稳定性和温场均匀性能必须维持较高的水平。然而,由于技术的限制,现实中制作的黑体辐射源其内部温场必然会存在着一定的温度梯度,这样就导致测量设备的标定精度不够精确。因此,如何提高黑体辐射源内部的温场均匀性,一直是测量设备标定工作中关注和研究的热点,同时也是黑体辐射源研制的难点。本文以真空黑体辐射源和非真空黑体辐射源为研究对象,主要针对黑体辐射源的温度场进行研究分析;通过完善黑体定标源结构以提高定标精度,并将研制的黑体辐射源进行实验测试,验证了仿真结果的正确性。论文主要研究内容如下:首先,通过查阅相关资料,梳理国内外黑体辐射源的发展现状,提出目前黑体辐射源研制过程中存在的问题以及在控制黑体辐射源温场均匀性遇到的瓶颈,扼要阐述本文研究的意义所在。其次,认真分解黑体辐射源的技术指标要求,创建三维模型,作合理的网格划分,确定边界条件以及需要施加的载荷,利用有限元分析软件对黑体辐射源进行传热研究,分析黑体辐射源的温场均匀性。通过对仿真结果的分析,调整相应参数,得到最优结果。然后,进行黑体辐射源的结构设计和温控系统设计。包括黑体的腔型结构、加热和制冷实现方式、温度传感器的选取及安装、接口和保温等关键部位的设计。温控部分用可变功率的电源模块为黑体提供功率,用模糊PID实现温度的调节,使得黑体辐射源的工作温度精确达到设定温度。最后,对已经加工好的黑体辐射源进行测试实验,将实验结果与仿真结果比较,验证仿真结果的准确性和可靠性。通过对黑体辐射源温场的传热仿真,很大程度上减少了黑体辐射的研制周期和研制成本,提高了黑体辐射源的温度均匀性,满足技术指标的要求。论文所涉及的科研成果对后期黑体辐射源的研制具有一定的参考意义,也对以后温场均匀性以及温度测量设备的定标工作有一定的参考价值。


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