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1、红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第三章第三章 热辐射基本规律热辐射基本规律第三章第三章 热辐射的基本规律热辐射的基本规律 3.1 发光种类的介绍发光种类的介绍物体发光消耗的能量有两种物体发光消耗的能量有两种：物体自身的能量；物体自身的能量；物体从外界获取能量。物体从外界获取能量。发光种类发光种类化学发光：物体内部发生了化学变化。化学发光：物体内部发生了化学变化。光致发光：物体被照射而引起的发光。光致发光：物体被照射而引起的发光。电致发光：物体发光是由电的作用直接引起的。电致发光：物体发光是由
2、电的作用直接引起的。 热辐射：物体在一定温度下发出的电磁辐射。热辐射：物体在一定温度下发出的电磁辐射。除了极高温情况，热辐射通常处于红外波段，所以红外辐射除了极高温情况，热辐射通常处于红外波段，所以红外辐射也称为热辐射。热辐射是一种能量交换，是平衡辐射。也称为热辐射。热辐射是一种能量交换，是平衡辐射。红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第三章第三章 热辐射基本规律热辐射基本规律3.2 基尔霍夫定律基尔霍夫定律普雷夫定则普雷夫定则：在单位时间内，如果两个物体吸收的能量不在单位时间内，如果两个物体吸
3、收的能量不同，则它们发射的能量也不同。即在单位时间内一个物体能同，则它们发射的能量也不同。即在单位时间内一个物体能够发出的能量等于它能够吸收的能量。够发出的能量等于它能够吸收的能量。定量描述物体吸收和发射热量之间的关系。定量描述物体吸收和发射热量之间的关系。,TTMconstfT物体的发射本领：即辐射出射度。物体的发射本领：即辐射出射度。物体的吸收本领：即物体的吸收比。物体的吸收本领：即物体的吸收比。基尔霍夫定律：基尔霍夫定律： 在给定温度下，对某一波长来说，物体吸收本领和发射在给定温度下，对某一波长来说，物体吸收本领和发射本领的比值与物体本身的性质无关，对一切物体都是恒量。本领的比值与物体本
4、身的性质无关，对一切物体都是恒量。红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第三章第三章 热辐射基本规律热辐射基本规律123123TTTTTTMMMC b Tb TMC1b Tb TMM黑体的定义：黑体的定义： 。1b T黑体的辐射出射度。黑体的辐射出射度。,TTMconstfT基尔霍夫定律：基尔霍夫定律：红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第三章第三章 热辐射基本规律热辐射基本规律AT热平衡时物体发射
5、的辐射功率必定等于它吸收的辐射功率。热平衡时物体发射的辐射功率必定等于它吸收的辐射功率。ME物体的辐射出射度物体的辐射出射度物体上的辐射照度物体上的辐射照度ME在热平衡条件下，物体的辐射出射度与其吸在热平衡条件下，物体的辐射出射度与其吸收率的比值等于空腔中的辐射照度。收率的比值等于空腔中的辐射照度。基尔霍夫定律：基尔霍夫定律：好的发光体好的发光体好的吸收体好的吸收体弱的反射体弱的反射体用光谱量表示：用光谱量表示：ME红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第三章第三章 热辐射基本规律热辐射基本规律(
6、1)(1)此定律是平衡辐射定律，与物质本身的性质无关，也适用此定律是平衡辐射定律，与物质本身的性质无关，也适用于黑体；于黑体；基尔霍夫定律说明：基尔霍夫定律说明：(2)(2)吸收和辐射量的多少应该在同一温度下比较，不同温度时吸收和辐射量的多少应该在同一温度下比较，不同温度时无意义；无意义；(4)(4)此定律描述的辐射与波长有关，与人眼的视觉特性和光度此定律描述的辐射与波长有关，与人眼的视觉特性和光度量无关；量无关；(5)(5)此定律只适用于温度辐射，对其它的发光形式不成立。此定律只适用于温度辐射，对其它的发光形式不成立。(3)(3)任何强烈的吸收必发出强烈的辐射，无论吸收是由物体表任何强烈的吸
7、收必发出强烈的辐射，无论吸收是由物体表面性质还是系统的构造所决定；面性质还是系统的构造所决定；红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第三章第三章 热辐射基本规律热辐射基本规律3.3 黑体及其辐射定律黑体及其辐射定律3.3.1 黑体黑体(1)(1)从理论上讲，是指在任何温度下能够全部吸收任何波长入从理论上讲，是指在任何温度下能够全部吸收任何波长入射辐射的物体，即全吸收，没有反射和透射的物体；射辐射的物体，即全吸收，没有反射和透射的物体；(2)(2)从结构上讲，封闭的等温空腔内的从结构上讲，封闭的等温
8、空腔内的辐射是黑体辐射，一个开有小孔的空辐射是黑体辐射，一个开有小孔的空腔就是一个黑体的模型；腔就是一个黑体的模型；(3)(3)从应用角度讲，如果把等温封闭空腔开一个小孔，则从小从应用角度讲，如果把等温封闭空腔开一个小孔，则从小孔发出的辐射能够逼真地模拟黑体辐射，此装置叫做黑体炉。孔发出的辐射能够逼真地模拟黑体辐射，此装置叫做黑体炉。红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第三章第三章 热辐射基本规律热辐射基本规律黑体的应用价值：黑体的应用价值：(1)(1)标定各类辐射探测器的响应度；标定各类辐射探
9、测器的响应度；(2)(2)标定其它辐射源的辐射强度；标定其它辐射源的辐射强度；(3)(3)测定红外光学系统的透射比；测定红外光学系统的透射比；(4)(4)研究各种物体表面的辐射特性；研究各种物体表面的辐射特性；(5)(5)研究大气或其它物质对辐射的吸收或透射特性。研究大气或其它物质对辐射的吸收或透射特性。红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第三章第三章 热辐射基本规律热辐射基本规律3.3.2 普朗克公式普朗克公式 普朗克公式是确定黑体辐射光谱分布的公式，是黑体辐射普朗克公式是确定黑体辐射光谱分布
10、的公式，是黑体辐射理论的基本公式。理论的基本公式。21/511bcTcMebM：黑体的光谱辐射出射度：黑体的光谱辐射出射度( )( )；-2-1Wmm1c：第一辐射常数，：第一辐射常数， ；28-1123.7418 10 chcm s2c：第二辐射常数，：第二辐射常数， ；1622/1.4388 10 chc kW mc：真空中的光速；：真空中的光速；h：普朗克常数，：普朗克常数， ；346.626176 10 J sk：玻耳兹曼常数，：玻耳兹曼常数， 。23-11.38 10 J K红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechn
11、ic University第三章第三章 热辐射基本规律热辐射基本规律黑体辐射的特性：黑体辐射的特性：(2)(2)温度越高温度越高 越大；越大；bM(3)(3)每条曲线彼此不相交，所以温度越高，在所有波长上的光谱每条曲线彼此不相交，所以温度越高，在所有波长上的光谱辐射出射度越大。随温度的升高，辐射出射度越大。随温度的升高， 峰值波长向短波方向移动。峰值波长向短波方向移动。bM每条曲线下包围的面积代表每条曲线下包围的面积代表黑体在该温度下的全辐射出黑体在该温度下的全辐射出射度，从图中可以看出，黑射度，从图中可以看出，黑体的全辐射出射度随温度的体的全辐射出射度随温度的增加而迅速增大。增加而迅速增大。
12、(4)(4)黑体辐射的特性只与温度有关，与其它参数无关。黑体辐射的特性只与温度有关，与其它参数无关。(5)(5)黑体辐射的亮度与观察角度无关。黑体辐射的亮度与观察角度无关。bM不同温度下黑体辐射实验曲线不同温度下黑体辐射实验曲线(1) (1) 随波长连续变化；随波长连续变化；bM红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第三章第三章 热辐射基本规律热辐射基本规律21/511bcTcMe讨论：讨论：(1) (1) 时，即时，即 ，对应于短波或低温情况；，对应于短波或低温情况；2/1cT/hckT2/15
13、cTbcMe维恩公式维恩公式(2)(2) 时，即时，即 ，对应于，对应于 长波或高温情况；长波或高温情况；2/1cT/hckT142bcTMc瑞利瑞利- -金斯公式金斯公式维恩线、瑞利维恩线、瑞利 金斯线、普朗克线比较金斯线、普朗克线比较瑞利金斯线维恩线M0(, T) 普朗克线实验结果红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第三章第三章 热辐射基本规律热辐射基本规律3.3.3 维恩位移定律维恩位移定律 维恩位移定律是描述黑体光谱辐射出射度的峰值维恩位移定律是描述黑体光谱辐射出射度的峰值 所所对应的峰
14、值波长对应的峰值波长 与黑体绝对温度与黑体绝对温度 T 的关系的表达式。的关系的表达式。mMm21/511bcTcMe2/xcT 551521xcTxMxce45512525101xxxxex ecTMxce45510 xxxex e2/4.9651142mxcT2/2898.80.4 mTcxm Kb红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第三章第三章 热辐射基本规律热辐射基本规律维恩位移定律维恩位移定律 维恩位移定律表明，黑体辐射出射度峰值对应的波长与维恩位移定律表明，黑体辐射出射度峰值对应的波
15、长与黑体绝对温度成反比，温度越高，辐射峰值向短波方向移动黑体绝对温度成反比，温度越高，辐射峰值向短波方向移动的越多。的越多。2898.80.4 mTbm K人体温度人体温度( (T=310K) )，辐射，辐射的峰值波长约为的峰值波长约为 。9.4 m太阳温度太阳温度( (T=6000K) )，辐射，辐射的峰值波长约为的峰值波长约为 。0.48 m251/511mb mcTmcMBTe112151.2867 10 BW mmK维恩最大发射本领定律维恩最大发射本领定律bM不同温度下黑体辐射实验曲线不同温度下黑体辐射实验曲线红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大
16、学 Henan Polytechnic University第三章第三章 热辐射基本规律热辐射基本规律3.3.4 斯忒藩斯忒藩玻耳兹曼玻耳兹曼定律定律 斯忒藩斯忒藩玻耳兹曼定律描述的是黑体的全辐射出射度与玻耳兹曼定律描述的是黑体的全辐射出射度与温度温度 T 的关系。的关系。21/50011bbcTcMMdde令令 ，则，则 ， 2/xcT2/cxT22/dcx T dx 01252211/bxccMdxex TcxT01431421xcTxedxc 4013115xxedx 4414215cTc红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Poly
17、technic University第三章第三章 热辐射基本规律热辐射基本规律令令 414215cc8245.67032 10 W mK4bMT斯忒藩斯忒藩玻耳兹曼玻耳兹曼定律定律4414215bcMTc每条曲线下的面积代表每条曲线下的面积代表了该曲线对应的黑体的了该曲线对应的黑体的 全辐射出射度全辐射出射度。bM不同温度下黑体辐射实验曲线不同温度下黑体辐射实验曲线红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第三章第三章 热辐射基本规律热辐射基本规律黑体的应用优势：黑体的应用优势： 只要确定了温度，黑体
18、的其它辐射特性就能通过只要确定了温度，黑体的其它辐射特性就能通过维恩维恩位移定律位移定律 ，维恩最大发射本领定律维恩最大发射本领定律 ， 斯忒藩斯忒藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 随之确定，进而还可以随之确定，进而还可以推出黑体的其它辐射特性，如推出黑体的其它辐射特性，如 等。等。,mTb5b mMBT4bMT, ,I L 红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第三章第三章 热辐射基本规律热辐射基本规律3.4 黑体辐射的简易计算黑体辐射的简易计算(1) 表表fT21/511cTcMe普朗克公式普朗克公
19、式251/511mmcTmcMBTe维恩最大发射本领定律维恩最大发射本领定律21/5511mcTmmMcfTMBTe5mMfT MfT BT 该表称为相对光谱辐射出射度函数表，是某个温度下、该表称为相对光谱辐射出射度函数表，是某个温度下、某波长上的辐射出射度某波长上的辐射出射度 和该温度下峰值波长处的辐射出和该温度下峰值波长处的辐射出射度射度 之比。之比。MmM红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第三章第三章 热辐射基本规律热辐射基本规律(2) 表表FT210/5011cTcMde普朗克公式普朗
20、克公式223220/40/151ccTTcTd cTMFTMe400MFT MFTT 该表称为相对辐射出射度函数表，是某个温度下、某波该表称为相对辐射出射度函数表，是某个温度下、某波段上的辐射出射度段上的辐射出射度 和该温度下全辐射出射度和该温度下全辐射出射度 之比。之比。0M0M40MT斯忒藩斯忒藩玻耳兹曼玻耳兹曼定律定律某波段的辐射出射度为：某波段的辐射出射度为：122140021MMMFTFTT红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第三章第三章 热辐射基本规律热辐射基本规律例例1：已知黑体的
21、温度：已知黑体的温度T=1000K，求其峰值波长、光谱辐射出，求其峰值波长、光谱辐射出射度峰值、在射度峰值、在 处的光谱辐射出射度、某一波段的辐处的光谱辐射出射度、某一波段的辐射出射度。射出射度。4 m解：解：(1) 峰值波长：峰值波长：28982.8981000mbm KmTK55114211.2867 1010001.2867 10mMBTW mm维恩位移定律维恩位移定律(2) 光谱辐射出射度峰值：光谱辐射出射度峰值：维恩最大发射本领定律维恩最大发射本领定律红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic Universit
22、y第三章第三章 热辐射基本规律热辐射基本规律(3) 处的光谱辐射出射度处的光谱辐射出射度: :4 m54mmMfT MfT BT544214 10001.2867 1010001.0297 10fW mm(4) 在在 波段内的辐射出射度波段内的辐射出射度: :35 m43 5425 10003 1000 2.0441 10mMFFTW m红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第三章第三章 热辐射基本规律热辐射基本规律例例2：已知人体的温度：已知人体的温度T=310K( (假定人体的皮肤是黑体假定人
23、体的皮肤是黑体),),求其求其辐射特性。辐射特性。解：解：(1) 峰值波长：峰值波长：28989.4310mbm KmTK维恩位移定律维恩位移定律(2) 全辐射出射度：全辐射出射度：48225.67 103105.2 10 W m40MT斯忒藩斯忒藩玻耳兹曼玻耳兹曼定律定律红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第三章第三章 热辐射基本规律热辐射基本规律(3) 在在 波段波段( (紫外紫外) )内的光谱辐射出射度内的光谱辐射出射度: :0 0.4 m在在 波段波段( (可见可见) )内的辐射出射度内
24、的辐射出射度: :0.40.75 m420 0.40.4 3100 3100 mMFFTW m420.75 0.40.75 3100.4 3100 mMFFTW m在在 波段波段( (可见可见) )内的辐射出射度内的辐射出射度: :0.75m0.750MM225.2 10 W m红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第三章第三章 热辐射基本规律热辐射基本规律例例3：已知太阳温度：已知太阳温度T=6000K( (并认为是黑体并认为是黑体),),求其辐射特性。求其辐射特性。解：解：(1) 峰值波长：峰
25、值波长：28980.48 6000mbm KmTK维恩位移定律维恩位移定律(2) 全辐射出射度：全辐射出射度：48725.67 1060007.3 10 W m40MT斯忒藩斯忒藩玻耳兹曼玻耳兹曼定律定律红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University(3) 在在 波段波段( (紫外紫外) )内的光谱辐射出射度内的光谱辐射出射度: :0 0.4 m在在 波段波段( (可见可见) )内的辐射出射度内的辐射出射度: :0.40.75 m40 0.400.4 3100 3100.14mMFFTM40.4 0.75
26、00.75 3100.4 3100.42mMFFTM在在 波段波段( (可见可见) )内的辐射出射度内的辐射出射度: :0.75m0.7500.44MM第三章第三章 热辐射基本规律热辐射基本规律红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第三章第三章 热辐射基本规律热辐射基本规律3.5 发射率和实际物体的辐射发射率和实际物体的辐射发射率发射率：在指定温度时的辐射量与同温度黑体辐射量的比值。：在指定温度时的辐射量与同温度黑体辐射量的比值。( (1) )半球发射率：半球发射率：辐射出射度与同温度黑体辐射出射
27、度的比值。辐射出射度与同温度黑体辐射出射度的比值。 hbM TMT半球全发射率半球全发射率半球光谱发射率半球光谱发射率 hbMTMTMEbME黑体辐射的基尔霍夫定律黑体辐射的基尔霍夫定律 hTT hTT物体的吸收本领越大，其发射辐射的本领也越大。物体的吸收本领越大，其发射辐射的本领也越大。红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第三章第三章 热辐射基本规律热辐射基本规律( (2) )方向发射率：方向发射率：在与辐射表面法线成在与辐射表面法线成 角的小立体角内的角的小立体角内的发射率。发射率。 bLL
28、 方向全发射率方向全发射率方向光谱发射率方向光谱发射率 bLL0n 红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第三章第三章 热辐射基本规律热辐射基本规律(1)(1)对于朗伯辐射体，三种发射率对于朗伯辐射体，三种发射率 彼此相等；彼此相等； ,nh 物体发射率的一般规律：物体发射率的一般规律：(2)(2)金属的发射率是最低的，但随温度的升高而增高，并且当金属的发射率是最低的，但随温度的升高而增高，并且当表面层形成氧化层时，可以成表面层形成氧化层时，可以成1010倍或更高倍数地增加；倍或更高倍数地增加；(
29、4)(4)金属及其它非透明材料的辐射发生在表面几微米的尺寸内，金属及其它非透明材料的辐射发生在表面几微米的尺寸内，因此发射率是表面状态的函数，而与物体的尺寸无关；因此发射率是表面状态的函数，而与物体的尺寸无关；(3)(3)非金属的发射率要高些，一般大于非金属的发射率要高些，一般大于0.8，但随温度的升高是，但随温度的升高是降低的；降低的；红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第三章第三章 热辐射基本规律热辐射基本规律(5)(5)介质的光谱发射率随波长的变化而变化。在红外区域，大介质的光谱发射率随波
30、长的变化而变化。在红外区域，大多数介质的光谱发射率随波长的增加而降低。多数介质的光谱发射率随波长的增加而降低。红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第三章第三章 热辐射基本规律热辐射基本规律3.6 辐射对比度和辐射测温辐射对比度和辐射测温3.6.1 辐射对比度辐射对比度 目标和背景的辐射出射度之差与背景辐射出射度之比称为目标和背景的辐射出射度之差与背景辐射出射度之比称为辐射对比度。辐射对比度。TBBMMCM2211,TTBBMMTdMMTd222/22112/55/111cTcTcTceMccTT
31、Tee 当当 ，普朗克公式的热导数为：，普朗克公式的热导数为：2/1cTe22cMT热导数：热导数：在表征热成像系统性能时，常把在表征热成像系统性能时，常把 叫做热导数。叫做热导数。/MT红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第三章第三章 热辐射基本规律热辐射基本规律作作 关系曲线关系曲线/MTT2411 mcTK维恩位移公式维恩位移公式2898 mTm K2411 0.8322898cmm最大对比度的波长最大对比度的波长 与辐射峰值波长与辐射峰值波长 之间的关系。之间的关系。cm地面背景温度为地
32、面背景温度为T=300K24118 m300c红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第三章第三章 热辐射基本规律热辐射基本规律3.6.2 辐射测温辐射测温 对于黑体，只要测得辐射出射度最大值所对应的波长，对于黑体，只要测得辐射出射度最大值所对应的波长，再利用维恩位移定律就可以确定黑体的温度。再利用维恩位移定律就可以确定黑体的温度。 对于一般物体，如果知道其发射率，只要测得物体的对于一般物体，如果知道其发射率，只要测得物体的光谱辐射量就可以确定物体的温度。光谱辐射量就可以确定物体的温度。红外辐射测温
33、的基本原理红外辐射测温的基本原理: :( (辐射测温仪辐射测温仪) ) 如果仪器根据物体的总辐射而定温度，则所得到的是如果仪器根据物体的总辐射而定温度，则所得到的是物体的物体的辐射温度辐射温度 。T 如果仪器根据两个或多个特征波长上的辐射而定温度，如果仪器根据两个或多个特征波长上的辐射而定温度，则所得到的温度是物体的则所得到的温度是物体的色温度色温度 。sT 如果仪器只跟据某一个特征波长上的辐射而定温度，则如果仪器只跟据某一个特征波长上的辐射而定温度，则所得到的是物体的所得到的是物体的亮温度亮温度 。lT红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan
34、 Polytechnic University第三章第三章 热辐射基本规律热辐射基本规律( (1) )辐射温度辐射温度 ：T 设一物体的真实温度为设一物体的真实温度为T，发射率为，发射率为 ，辐射出射度，辐射出射度为为M(T) 。当该物体的辐射出射度与某一温度的黑体辐射出射。当该物体的辐射出射度与某一温度的黑体辐射出射度相等时，这个黑体的温度就叫做该物体的辐射温度，度相等时，这个黑体的温度就叫做该物体的辐射温度， 。TT bM TMT bM TTMT44TTT bbT MTMT4TTT 当物体的温度与周围环境温度相近时，考虑物体的反射环当物体的温度与周围环境温度相近时，考虑物体的反射环境辐射带
35、来的影响是很有必要的，可以根据关系境辐射带来的影响是很有必要的，可以根据关系 进行修正。进行修正。 1TT 斯忒藩斯忒藩玻耳兹曼玻耳兹曼定律定律辐射测量仪辐射测量仪红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第三章第三章 热辐射基本规律热辐射基本规律blLTLT bLTTLT12lnllc TTTTc 设一物体的真实温度为设一物体的真实温度为T，发射率为，发射率为 ，光谱辐射，光谱辐射亮度为亮度为 。当该物体的光谱辐射亮度与某一温度黑体的。当该物体的光谱辐射亮度与某一温度黑体的光谱辐射亮度相等时，这个黑
36、体的温度就叫做该物体的亮温光谱辐射亮度相等时，这个黑体的温度就叫做该物体的亮温度，度， 。lT T LT215/11cTcLTTe215/11lblcTcLTe光学高温计光学高温计( (2) ) 亮温度亮温度 ：lT红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第三章第三章 热辐射基本规律热辐射基本规律( (3) )色温度色温度 ：sT12212ln/111/1/sTTTTc121211155/111111scTcTccTee 设一物体的真实温度为设一物体的真实温度为T，在波长，在波长 和和 处的光谱发射
37、率处的光谱发射率为为 和和 ，光谱辐射亮度分别为，光谱辐射亮度分别为 和和 。当该物体在这两个波长处的光谱辐射亮度与某一温度的黑体当该物体在这两个波长处的光谱辐射亮度与某一温度的黑体的光谱辐射亮度相等时，这个黑体的温度就叫做该物体的色的光谱辐射亮度相等时，这个黑体的温度就叫做该物体的色温度，温度， 。sT 1T 1LT 2T12 2LT222221155/221111scTcTccTee色温计色温计红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第四章第四章 红外辐射源红外辐射源第四章第四章 红外辐射源红外
38、辐射源 4.1 黑体辐射源黑体辐射源 基尔霍夫定律证明密闭空腔内的辐射就是黑体辐射。但基尔霍夫定律证明密闭空腔内的辐射就是黑体辐射。但是实际用作标准的黑体辐射源都是开有小孔的空腔，由于从是实际用作标准的黑体辐射源都是开有小孔的空腔，由于从小孔入射的辐射总有一部分从小孔逸出，因此其发射率略小小孔入射的辐射总有一部分从小孔逸出，因此其发射率略小于于1 1，所以小孔的辐射只能近似于黑体辐射，习惯上把这种开，所以小孔的辐射只能近似于黑体辐射，习惯上把这种开有小孔的空腔叫做黑体源或黑体炉。有小孔的空腔叫做黑体源或黑体炉。 1954年，年，Gouff 和和Dovos 分别给出了开孔空腔有效发射分别给出了开
39、孔空腔有效发射率的表达式，从而描述了开有小孔的空腔与绝缘黑体的差别率的表达式，从而描述了开有小孔的空腔与绝缘黑体的差别或近似程度或近似程度。红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic Universityl2Rl2R2Rl几种腔体形状的黑体炉几种腔体形状的黑体炉黑体辐射源的主要部分包括：腔体、加热线圈、保温层、黑体辐射源的主要部分包括：腔体、加热线圈、保温层、温度计和温度控制部分。温度计和温度控制部分。第四章第四章 红外辐射源红外辐射源红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Hena
40、n Polytechnic University在设计制造在设计制造黑体辐射源时应该注意以下几方面的问题：黑体辐射源时应该注意以下几方面的问题：(1) 腔形的选择；腔形的选择；对于给定的对于给定的 l/R 值，球形腔的有效发射率最大值，球形腔的有效发射率最大通常取通常取 l/R6，增加此值可以提高有效发射率，但会增大均，增加此值可以提高有效发射率，但会增大均匀加热的难度。匀加热的难度。(2) 对腔芯材料加热的要求；对腔芯材料加热的要求；具有高的热导率；具有好的抗氧化能力；表面发射率要高。具有高的热导率；具有好的抗氧化能力；表面发射率要高。(3) 腔体的等温加热；腔体的等温加热；改造腔芯的外形和
41、加热线圈的缠绕方式。改造腔芯的外形和加热线圈的缠绕方式。第四章第四章 红外辐射源红外辐射源红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University(4) 腔体的温度控制和测量；腔体的温度控制和测量；一般用热电偶或铂电阻温度计测量温度。一般用热电偶或铂电阻温度计测量温度。40MT 黑体辐射源的有效发射率黑体辐射源的有效发射率腔体的工作温度腔体的工作温度304dMT dT 4dMdTMT腔体温度变化对辐射出射度腔体温度变化对辐射出射度变化的影响很大。变化的影响很大。第四章第四章 红外辐射源红外辐射源红外技术红外技术 理
42、化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University(5) 降低黑体前表面的辐射。降低黑体前表面的辐射。黑体的前方紧挨开口处放置光阑，用水冷，以降低黑体黑体的前方紧挨开口处放置光阑，用水冷，以降低黑体前表面的辐射。前表面的辐射。黑体辐射源指标黑体辐射源指标：有效发射率、温度范围、孔径尺寸、加：有效发射率、温度范围、孔径尺寸、加热时间、质量、尺寸、控温精度、温度稳定性、视场及恒热时间、质量、尺寸、控温精度、温度稳定性、视场及恒温区等。温区等。恒温区视场视场光阑光阑第四章第四章 红外辐射源红外辐射源红外技术红外技术 理化学院应用物理系
43、理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第四章第四章 红外辐射源红外辐射源4.2 其他红外其他红外辐射源辐射源4.2.1 电热固体辐射源电热固体辐射源(1) 能斯脱灯能斯脱灯常用作红外分光度计中的红外辐射源。常用作红外分光度计中的红外辐射源。优点：优点：寿命长、工作温度高、寿命长、工作温度高、黑体特性好、不需要水冷等。黑体特性好、不需要水冷等。 由氧化锆、氧化钇、氧化铈和氧化钍的混合物烧结而成由氧化锆、氧化钇、氧化铈和氧化钍的混合物烧结而成的一种很脆的圆柱体或空心棒。的一种很脆的圆柱体或空心棒。缺点：缺点：机械强度低、光源温机械强度低
44、、光源温度受空气流动影响大、工作度受空气流动影响大、工作前需预热等。前需预热等。红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第四章第四章 红外辐射源红外辐射源(2) 钨丝灯、钨带灯和钨管灯钨丝灯、钨带灯和钨管灯 常用于光度测量、高温测量、光辐射测量、旋光测量、常用于光度测量、高温测量、光辐射测量、旋光测量、分光测量、比色测量、显微技术、闪光技术和近红外测量等。分光测量、比色测量、显微技术、闪光技术和近红外测量等。优点：优点：熔点高不易蒸发、在可见波段辐射选择性好、机械强熔点高不易蒸发、在可见波段辐射选择
45、性好、机械强度高、易加工、温度变化小等。度高、易加工、温度变化小等。 钨管灯是最接近黑体的辐射源钨管灯是最接近黑体的辐射源之一，常被用作光谱分布标准光源。之一，常被用作光谱分布标准光源。 钨管灯在可见光区域内的光谱钨管灯在可见光区域内的光谱发射率高达发射率高达0.95，且改变很少，且改变很少(在在500700nm范围内只改变千分之几范围内只改变千分之几)，同时钨管灯的温度变化很小。同时钨管灯的温度变化很小。红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第四章第四章 红外辐射源红外辐射源(3) 乳白石英加热
46、管乳白石英加热管 由天然石英熔融而成，耐热性能好、热膨胀系数低、有由天然石英熔融而成，耐热性能好、热膨胀系数低、有优良的抗热抗震和电绝缘性、具有很好的化学稳定性；但机优良的抗热抗震和电绝缘性、具有很好的化学稳定性；但机械强度和耐冲击性能较差。械强度和耐冲击性能较差。用作红外辐射源的优点：用作红外辐射源的优点：(1) 发射率高，并具有选择性发射；发射率高，并具有选择性发射；(2) 热容量小，其热容量仅为碳化热容量小，其热容量仅为碳化硅、金属管的十分之一；硅、金属管的十分之一；(3) 工作温度范围广，可以为工作温度范围广，可以为100750度；度；(4) 升温降温快，只需升温降温快，只需710mi
47、n；(5) 表面纯净洁白，可以用在工艺卫生要求高的场所。表面纯净洁白，可以用在工艺卫生要求高的场所。红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第四章第四章 红外辐射源红外辐射源4.2.2 气体放电辐射源气体放电辐射源 当电流通过气体媒质时，会产生放电现象，利用这种放当电流通过气体媒质时，会产生放电现象，利用这种放电现象可制作辐射源。气体放电的种类很多，用的较多的是电现象可制作辐射源。气体放电的种类很多，用的较多的是辉光放电和弧光放电。辉光放电和弧光放电。BGAC三级式发光过程：三级式发光过程：第一级，
48、自由电子被外电场加速；第一级，自由电子被外电场加速；第二级，运动的电子与气体的原子碰撞，电子的动能传给气第二级，运动的电子与气体的原子碰撞，电子的动能传给气体原子使其激发；体原子使其激发；第三级，受激原子返回基态，把吸收的能量以辐射的形式释第三级，受激原子返回基态，把吸收的能量以辐射的形式释放出来。放出来。 B：灯的泡壳，由透明玻：灯的泡壳，由透明玻璃或石英加工而成；璃或石英加工而成；A、C：灯的电极；：灯的电极；G：灯泡中充的气体。：灯泡中充的气体。红外技术红外技术 理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第四章第
49、四章 红外辐射源红外辐射源(1) 水银灯水银灯 利用水银蒸汽放电制成的灯，低压水银灯的辐射主要在紫利用水银蒸汽放电制成的灯，低压水银灯的辐射主要在紫外区域，高压和超高压水银灯的辐射在红外区域。外区域，高压和超高压水银灯的辐射在红外区域。 正常工作时，灯管内的水正常工作时，灯管内的水银气压在银气压在0.10.5 MPa 范围内，范围内，当压强在当压强在12MPa 范围内时称范围内时称为超高压水银灯，当压强超过为超高压水银灯，当压强超过20MPa 时，红外辐射占全部辐时，红外辐射占全部辐射的射的34%，因此超高压水银灯，因此超高压水银灯是良好的近红外辐射源。是良好的近红外辐射源。红外技术红外技术
50、理化学院应用物理系理化学院应用物理系河南理工大学河南理工大学 Henan Polytechnic University第四章第四章 红外辐射源红外辐射源(2) 惰性气体灯惰性气体灯(氩、氪、氙等氩、氪、氙等) 惰性气体放电在紫外和可见区域具有连续光谱，在红外区惰性气体放电在紫外和可见区域具有连续光谱，在红外区域有明显的线光谱叠加在连续光谱上。红外部分辐射的极大值域有明显的线光谱叠加在连续光谱上。红外部分辐射的极大值随原子量的增加而向长波方向移动。随原子量的增加而向长波方向移动。 惰性气体灯惰性气体灯正常工作时，灯正常工作时，灯管内压强在管内压强在0.53.0MPa范围内范围内,它的实际光谱接它