总辐射表信号零点偏差基础科普
开展太阳总辐射精准测量工作时，信号出现偏差会对数据造成不利影响。相关设备使用人员有必要了解零点偏差相关知识。本文档围绕总辐射表信号零点偏差常见问题作出解答，涵盖偏差产生原因、检测方式、影响程度以及ISO 9060标准中的相关规定。
概述
零点偏差指太阳辐照值为零时，设备依旧输出的固定数值。目前新式总辐射表的零点偏差数值普遍偏小，多数地区日间正常工况下，该偏差相较于实测辐照数值基本可以忽略。但在弱光环境中，零点偏差带来的影响便会凸显出来。
总辐射表零点偏差成因较多，大多源于设备内部存在的温度梯度，也就是部件之间的温差。想要理清原理，需先了解总辐射表工作机制：简单来说，设备黑色感应面吸收太阳辐射并转化为热能，使感应面与设备壳体形成温差，再由热电堆检测这一温差。正常状态下，热电堆输出信号与辐照强度呈对应关系。若感应面与壳体之间的温差并非由太阳辐射引起，就会造成辐照测量结果出现偏差。
引发这类非辐射性温差的因素有很多，本文主要介绍三类常见诱因：热辐射作用、环境温度骤变、设备电路散热及电路自身固有偏差。表1罗列了ISO 9060:2018标准中不同等级总辐射表允许的最大零点偏差，分为红外辐射偏差、温度变化偏差以及总偏差三类。
热辐射引发的测量偏差
总辐射表外层球罩可起到辐射过滤作用，主要筛选波长约0.3至3微米区间的太阳辐射。但设备依旧会对长波红外热辐射存在一定感应，一方面天空与球罩之间会产生热辐射交互，另一方面球罩与黑色感应面之间也存在热量传递，进而造成太阳辐照测量出现偏差。
图1 天空与总辐射表球罩、球罩与黑色感应面之间的热辐射交换示意图
设备对热辐射的感应程度，既可以在实验室环境内测定，也可在户外通过比对总辐射表与长波辐射表夜间监测数据得出。
实验室检测方式
将设备置于无光环境中，使其接收已知温度高温黑体发出的热辐射，结合设备自身温度与黑体温度，核算二者之间的净热辐射交换量。此场景下黑体温度高于设备本体，设备输出偏差值与净热辐射值均为正值。
户外检测方式
夜间无太阳辐射干扰，便于研判设备对净热辐射等外界因素的响应程度。借助长波辐射表数据，可推算设备与天空之间的净热辐射交换量。户外环境里天空温度低于设备温度，此时测得的偏差值与净热辐射数值均为负值。
两种检测方式均可绘制出设备输出信号与净热辐照量的对应曲线，曲线斜率即为设备对净热辐射交换的感应灵敏度。
图2 总辐射表对红外长波辐射的响应趋势示意图
曲线斜率代表热辐射感应灵敏度，其余偏差由其他因素造成，且该灵敏度还会受到风速等外界条件影响。
ISO 9060:1990标准规定，零点偏差a取值为设备对200瓦每平方米净热辐射的响应数值。由热辐射产生的零点偏差并非固定值，会随实际热辐射交换量发生改变，同时也易受风速等外界条件影响。
可通过多种方式降低热辐射带来的偏差：
- 加装双层球罩，该设计普遍应用于一级、二级标准型总辐射表；
- 采用导热性能更佳的球罩材质削弱球罩内部温差，例如SR25型号所用的蓝宝石球罩；
- 借助通风结构缩小球罩与设备壳体的温差。传统多采用外置通风组件，内置通风结构对零点偏差的抑制效果更为出色。SR30-D1光谱平场二级标准总辐射表便搭载了内置通风结构。
