第四章 红外辐射源
红外辐射原理
红外辐射原理
红外辐射是一种电磁辐射，波长长于可见光，但短于微波。
红外线是一种无形的能量，我们肉眼无法看到它，但它在我们的日常生活中发挥着重要作用。
红外辐射原理是指物体在温度不为零时会发出红外辐射，这种辐射能够被红外传感器捕捉到并转化为热像图像。
本文将详细介绍红外辐射的原理及其在各个领域的应用。
首先，红外辐射的产生是由物体的温度决定的。
根据普朗克辐射定律，温度越高的物体会发出更多的红外辐射。
这就是为什么我们可以利用红外辐射来测量物体的温度。
红外测温仪就是利用了这个原理，通过探测物体发出的红外辐射来计算物体的温度，广泛应用于工业生产、医疗保健等领域。
其次，红外辐射在红外夜视、红外热像等领域也有着重要的应用。
红外夜视仪利用物体发出的红外辐射来形成夜视图像，使我们能够在夜晚看清楚周围的环境。
而红外热像仪则是利用物体发出的红外辐射与周围环境的温度差异来显示物体的热分布情况，广泛应用于建筑检测、电力维护等领域。
另外，红外辐射还在安防监控、火灾报警等领域发挥着重要作
用。
红外感应器可以探测物体发出的红外辐射，当有人或物体进入感应范围时，感应器会发出信号，从而实现对区域的安全监控。
在火灾报警系统中，红外感应器也可以检测到火焰的红外辐射，及时发出警报，保护人们的生命和财产安全。
总的来说，红外辐射原理是基于物体温度的辐射特性，利用物体发出的红外辐射来实现温度测量、夜视观察、热像显示、安防监控等多种应用。
随着科技的不断发展，红外技术将会在更多领域得到应用，为人类生活带来更多便利和安全保障。
红外辐射源
第四章红外辐射源4.1 腔体辐射理论基尔霍夫定律证明密闭空腔内的辐射就是黑体的辐射。
但是，实际用作标准的黑体型辐射源，都是开有小孔的空腔，小孔的辐射只能近似于黑体的辐射，由于从小扎入射的辐射总有一小部分从小孔选出，因此其发射率略小于l。
习惯上就把这种开有小孔的空腔叫做黑体源或称黑体炉。
腔体辐射理论是制作黑体源所涉及的基础．主要有哥福(Gouffe)理论、德法斯(De—vos)理论等。
给出黑体有效发射率的计算，从而描述开有小孔的空腔与绝缘黑体的差别或近似程度。
1.哥福(Gouffe)理论Gouffe在1954年提出了一个计算开孔空腔有效发射率的表达式。
用这个表达式，可对球形、圆柱形和圆锥形腔体的有效发射率进行理论上的计算。
尽管在推导中做了一些近似的假设，但是因它的表达式意义明确，使用方便，所以仍是广为应用的方法。
2.德法斯(Devos)理论Devos在1954年给出了黑体辐射源腔孔有效发射率的计算公式。
在该公式的推导中，不像Gouffe理论那样先推导吸收比，而是直接推导发射率；并且考虑的是任意形状的腔体，也没有假设腔壁是漫反射表面，所以一殷认为它是比较完善、比较系统的理论。
其结果，在等温腔腔壁为漫反射时(见图4—1)，与Gouffe 理论所得出的结果极为相近，但计算比Gouffe理论复杂很多。
2.黑体型辐射源黑体型辐射源作为标准辐射源，广泛地用做红外设备的绝对标准。
然而，我们知道，黑体是一种理想化的概念，在自然界并不存在绝对的黑体。
因此，按定义，我们也就不可能制作出一个绝对黑体。
由前面的讨论可知，开有小孔的空腔很接近黑体，所以通常就把开有小孔的空腔叫做黑体辐射源(或标准黑体辐射源)。
它可以作为一种标准来校正其他辐射源或红外系统。
典型的实用黑体型辐射源的构造如图4—2所示，其主要组成部分包括腔体、加热线圈、保温层、温度计和温度控制部分。
按辐射腔口的口径尺寸来分类，则可把黑体型辐射源分为以下三类：(1)大型：φ＞100 Mm。
红外技术基础与应用-3-红外辐射源
3.2.4 乳白石英加热管
1、构造：以天然水晶为原料坩埚的两端电极 构造： 为石墨的发射体，在真空电阻炉中加热到 熔融态时（1740℃）拉制而成。因在熔融 熔融态时（1740℃）拉制而成。因在熔融 过程中，使气体在熔体中形成大量的小气 泡，故外观呈乳白色。 2、特点： 特点： （1）发射率高，并具选择性发射； （2）热惯性小； （3）升温快； （4）温度通常为400-500℃； ）温度通常为400-500℃； （5）外表洁白。
3.1.2 黑体辐射源有效发射率的计算
空腔型黑体辐射源的发射率的公式推导 哥福(Gouffé)理论 (Gouffé)理论: 哥福(Gouffé)理论: 1954年 Gouffé提出的计算开孔空腔有效发射率的表达式， 1954年， Gouffé提出的计算开孔空腔有效发射率的表达式， 可对球形、圆柱形、 可对球形、圆柱形、圆锥形腔体的有效发射率进行理论计 算。 [1+(1)(S/Stε0= ε[1+(1- ε)(S/St-Ω/л)]/ (1ε(1-S/St)+S/St 腔的有效发射率, ε0腔的有效发射率, ε腔内壁材料的发射率 St腔内壁面积 腔内壁面积, S开孔面积 开孔面积, St腔内壁面积, S开孔面积, 黑体开孔面积S Ω黑体开孔面积S所对应的立体角
3.2.3 钨灯
钨的特点：熔点高（3680K），蒸发率小，在 钨的特点：熔点高（3680K），蒸发率小，在 可见光波段选择性好，高温下机械强度大， 易于加工等优点，所以广泛应用于白炽灯。 分类： 1、钨丝灯：辐射波长在3 m以下 钨丝灯：辐射波长在3 m以下 2、钨带灯：宽2mm，厚0.05mm 、钨带灯：宽2mm，厚0.05mm 3、钨管黑体灯：可见光区域光谱发射率高， 可达0.95，真空时温度可达1800℃ 可达0.95，真空时温度可达1800℃ 充氩气时灯可达2700℃。 充氩气时灯可达2700℃。
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——红外技术及应用
在设计制造黑体型辐射源时， 应考虑以下几个问题。
• • • • • 1．腔形的选择 2．对腔芯材料加热的要求 3．腔体的等温加热 4．腔体的温度控制和测量 5．降低黑体前表面的辐射
7
——红外技术及应用
黑体视场的示意图
图4-2 黑体视场的示意图
8
——红外技术及应用 4.2 其它红外辐射源
4
——红外技术及应用
• 典型的实用黑体型辐射源的构造如图4-1所示
•
图4-1 三种典型的腔体结构
5
——红外技术及应用
• 如按辐射腔口的口径尺寸来分类，则可把 黑体型辐射源分为以下三类： • 大型：Ф≥100mm； • 中型：Ф≈30 mm； • 小型：Ф≤10 mm。 • 如按工作温度的范围来分类，则可把黑体 型辐射源分为以下三类： • 高温：3000～2000K； • 中温：900～500K； • 低温：400～200K。
• 除利用金属蒸气放电制作辐射派(如水银灯)之外，还可利 用情性气体的放电现象制成辐射源。超高压下的氩、氪、 氙等情性气体在紫外和可见光区域具有连续光谱，而在红 外波段则有明显的线光谱叠加在连续光谱上。在惰性气体 中，以氙气放电最为常用，由它制成的辐射源叫做氙灯。
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——红外技术及应用
氙灯与水银灯对比
光缆
29
——红外技术及应用
3. 能量集中 空间高度集中：亮度比太阳表面高 1010 倍。 时间高度集中：功率峰值为 1012 瓦。 4. 相干性好
30
——红外技术及应用 时间和空间相干性 激光具有很好的相干性。 普通光源的相干长度约为1毫米至几十厘米， 激光可达几十公里。 全息照相、全息 存储等就利用了相干 性好的特点。
红外辐射与红外探测器演示文档
8.3* 红外探测器的性能参数及使用中应注意的事项
8.3.1 红外探测器的性能参数
电压响应、光谱响应、等效噪声功率、比探测率和时间常数等
8.3.2 红外探测器使用中应注意的问题
,T)dT4
8.4.2 红外测温的特点
①反应速度快 ②灵敏度高 ③属于非接解测温 ④准确度高。可小于0.1℃ ⑤可测摄氏负几十度~几千度的范围
8.4.3 热辐射传感器---应用实例 1. 热辐射高温计
具有响应快 热惰性小等优点
主要用于腐蚀性物体及运动物体的高温测量。测量范围在 400℃~3200℃.由于感温部分不与被测介质直接接触，因此误差 较大
①选用探测器时要注意它的工作温度 ②应注意调整好探测器的偏流、偏压，使 其工作在最佳工作状态
③辐射源调制频率应和探 测器的响应频率相匹配 ④探测器存放时要注意防 潮、防振和防腐蚀 ⑤了解探测器的性能指标、 应用范围、和使用条件
8.4 红外测温
8.4.1 红外测温原理
斯忒藩-玻耳
兹曼定律
M eb 0M e(b
中间导体定律：
涂黑金箔
P
RL mV
N
温差电堆：
mV
实体型：多用于测温 薄膜型：多用于标定各 种光源、测量各种辐射 量特 •时间常数较大，被测 辐射变化频率一般在 10HZ以下
3. 热释电型红外探测器
热释电效应：
(a) 恒温下
(b) 温度变化
(C) 温度变化时 的等效表现
热释 电器
RL
红外辐射与红外探测器
（优选）红外辐射与红外探测 器
8.1.2 红外辐射源
红外线的辐射源有哪些
红外线的辐射源有哪些红外线是不可见光，任何大于绝对零度的物体都具有发射红外线的能力，因此红外线的辐射源在我们身边是非常多的。
第一、太阳近似于温度5600K黑体的良好辐射源。
峰值波长在可见光波段，但仍是地球附近最强的红外辐射源，而且相当稳定。
可以作为空间红外仪器的参考标准源。
第二、红外星与红外天体宇宙间一些以辐射红外为主的天体。
它们是一些处于引力塌缩中、尚未触发热核反应的、非常年轻的天体,但已经是红外热源,或者是一些处于濒临消亡的恒星所抛出的大块尘云。
温度都很低，所辐射的红外波长约为几十微米至近百微米。
这些宇宙间的红外辐射源对天体演化的研究有重要意义。
第三、能斯脱灯丝用锆、钇和钍的氧化物烧结成的空心细棒，长约25毫米，直径约2毫米,引出电极为铂丝。
常温时阻值很高，具有负电阻温度系数。
使用时先加温至几百度，然后通电点亮，由电能维持其温度，由镇流器限制其加热电流。
这种红外源能在空气中工作，温度达1800K。
常用于红外光谱仪器。
第四、硅碳棒碳化硅做成的圆棒，发热部分的直径约为5毫米，工作温度为1500K，用于红外光谱仪器，更常用于工业加温炉。
第五、红外灯属于白炽灯一类,工作温度较白炽灯低,使辐射能分布更多地移向红外。
受玻璃外壳的限制，发射的红外辐射短于2.5微米。
常用于医疗和工业干燥等。
第六、碳化硅板由电热丝埋入或装入碳化硅板中构成的一种中、远红外辐射源。
电热丝通电后加热碳化硅板，控制不同的平衡温度，能获得不同波长分布的红外辐射。
作为红外辐射源,为了提高某一波段的红外辐射效率,可采用表面涂覆特定的红外高发射率的涂料。
这些涂料由Ni2O3、Cr2O3、CoO、Na2O、MnO2、SiC、SiO2等材料组成。
用碳化硅板可砌成各种红外炉，广泛用于烘烤技术中。
第七、红外激光器属于受激辐射，各辐射中心的发射具有相同的频率、方向和偏振状态以及严格的相位关系。
红外激光器辐射强度高，单色性好，方向性强。
常用的红外激光器有钕玻璃激光器、钇铝石榴石激光器、二氧化碳激光器和磅锡铅激光二极管等。
7第四章_红外辐射在大气中的传输
• 下表为大气成分表。
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二、厘米N.T.P. (或厘米S.T.P.)
• 海平面上单位截面积垂直气柱内各成分的总含量 常表示为Wsi，单位是[克· -2]，使用时常直接 厘米 写成克。 • Wsi的另一种表示形式是：表示成所谓“标准状 态”下的厘米数，叫做厘米N.T.P.或厘米S.T.P.， 它是将含量为Wsi的某气体成分化到标准状态 (P0=1个大气压，T0=273.15K)在单位截面上所占 有的高度Wsi*。设标准状态下该气体成分的密度 为ρ0i ，显然
4
• 1 大气的基本组成 • 包围着地球的大气层，每单位体积中大约有 78%的氮气和21%的氧气，另外还有不到1% 的氩（Ar）、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、 一氧化二氮(N2O)、甲烷(CH4)、臭氧(O3)、水 汽(H2O)等成分。除氮气、氧气外的其他气体 统称为微量气体。 • 除了上述气体成分外，大气中还含有悬浮的尘 埃、液滴、冰晶等固体或液体微粒，这些微粒 通称为气溶胶。
17
• •
• • • •
1 水蒸气 水蒸气在大气中，尤其在低层大气中的含量较 高，是对红外辐射传输影响较大的一种大气成 分。虽然人眼看不见，但它的分子对红外辐射 有强烈的选择吸收作用。 (1)水蒸气含量描述 (2)水蒸气的分布 水蒸气压强:水蒸气压强是大气中水蒸气的分压 强，用符号pw表示，其单位是Pa。 绝对湿度:绝对湿度是单位体积空气中所含有的 水蒸气的质量，通常用符号ρw表示，其单位为 g/m3。所谓绝对湿度，是指水蒸气的密度。
式中σ 、R是谱参数。
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4.2 大气对红外辐射的吸收衰减
• 介质中的辐射场强度与介质的透过率密切相关。因 此，研究因大气的吸收和散射对辐射产生的衰减是 非常重要的。本节将研究大气吸收产生的衰减 • 为了确定给定大气路程上分子吸收所决定的大气透 射率，可以有如下几种方法： （1）根据光谱线参数的详细知识，一条谱线接一条 谱线地做理论计算； （2）根据带模型，利用有效的实验测量或实际谱线 资料为依据，进行理论计算； （3）在所要了解的大气路程上直接测量； （4）在实验室内模拟大气条件下的测量。
红外光谱基本原理
22
二、红外光谱的分区
常见的有机化合物基团频率出现的范围：4000 600 cm-1 可分为：4000-1300cm-1的高波数段官能团区，以及1300cm-1 以下的低波数段指纹区。
官能团区的峰是由伸缩振动产生的，基团的特征吸收峰一般位于该区， 分布较稀疏，容易分辨。
6
红外光谱的表示方法
红外光谱图：
纵坐标为透光率T％，横坐标为波长λ(m )或波数1/λ(cm-1) 可以用峰数，峰位，峰形，峰强来描述。 应用：有机化合物的结构解析。 定性：基团的特征吸收频率； 定量：特征峰的强度；
7
第一节 红外光谱法的基本原理 一、产生红外吸收的条件
满足两个条件： (1)红外辐射光子的能量与分子振动能级跃迁所需能量相同。 (2)辐射与物质间有相互耦合作用（偶极距有变化）。
5
红外光谱与紫外可见光谱的区别
1.光谱产生的机制不同
分子振动和转动能级的跃迁；价电子和分子轨道上的电子在电子能级
上的跃迁。
2. 研究对象不同
在振动中伴随有偶极矩变化的化合物；不饱合有机化合物特别是具有 共轭体系的有机化合物。
3.可分析的试样形式不同，使用范围不同
气、液、固均可，既可定性又可定量，非破坏性分析；既可定性又可 定量，有时是试样破坏性的。
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/ cm1 1 1 k 1307 k'
2c
Ar
k单位：dyn·cm-1；k’单位：N·cm-1，与键能和键长有关，
为双原子的原子质量折合质量： ＝m1·m2 /（m1＋m2），
Ar为双原子的原子量的折合质量：Ar ＝M1·M2/ M1＋M2 发生振动能级跃迁需要能量的大小取决于键两端原子的
红外线感应工作原理
红外线感应工作原理红外线感应是一种通过红外线传感器来检测和感知目标物体的技术。
红外线（Infrared radiation）是一种电磁辐射，波长范围在700纳米到1毫米之间，处于可见光的下方。
红外线感应工作原理如下：1. 红外辐射源：红外线传感器需要一个外部红外辐射源发出红外线。
通常使用红外LED或红外激光二极管作为红外辐射源。
红外辐射源的波长通常在850纳米到950纳米之间，这个波长是红外线传感器最敏感的波长。
2. 目标物体反射：红外辐射源发出的红外线照射在目标物体上，目标物体会吸收、折射和反射红外线。
当目标物体的温度不同于周围环境时，会有红外辐射被目标物体发射出来，这被称为热辐射。
3. 接收器：红外线传感器中的接收器用于接收并测量目标物体反射回来的红外线辐射。
接收器通常是一种特殊的光敏元件，如晶体管或光敏二极管，可以通过在电流或电压的变化中测量红外光的强度。
4. 信号处理：红外线传感器在接收到红外线辐射后，将其转化为电信号。
电信号经过放大、滤波、模数转换等处理后，可以得到目标物体反射红外线的强度、频率和波形等数据。
5. 检测距离：根据反射红外线的强度，可以计算出目标物体与传感器的距离。
通常情况下，反射红外线的强度与目标物体之间的距离成反比关系。
因此，通过检测反射红外线的强度，可以确定目标物体与传感器的距离是否在某个预设的范围内。
6. 输出信号：基于对检测距离的判断，红外线传感器可以产生不同的输出信号。
当目标物体与传感器的距离在设定范围内时，传感器输出一个逻辑高电平，表示目标物体存在。
当目标物体超出设定范围时，传感器输出一个逻辑低电平，表示目标物体不存在。
红外线感应广泛应用于不同领域，如安全系统、自动化控制、距离测量和机器人导航等。
在安全系统中，红外线感应可以用于检测人体活动，如门禁系统和监控系统。
在自动化控制中，红外线感应可以用于监测物体的位置、速度和流量等。
在距离测量中，红外线感应可以通过测量反射红外线的强度来计算目标物体与传感器的距离。
04红外辐射源.
(1)圆孔圆锥形腔
A=
πR 2
St πR2 + πR l 2 + R2
=R R + l2 + R2
=g g + 1+ g2
= g( 1+ g2 − g) ≈ g(1− g)
第4章 红外辐射源
ε0
=
(1 −
ρ){1+ ρ[( A St ) − F (x, Δ)]}
1− ρ(1− A St )
g <<1
§4-1 黑体辐射源
•同理，第n次反射后，从腔孔中逸出的辐射功率
ΔPn
=
ρ
P n−1 1
(1
−
A )n−2 St
A St
•从腔孔中逸出的总辐射功率
ΔP2
=
ρP1
A St
ΔP3
=
ρ
2 P1 (1 −
A St
)
A St
Pτ = ΔP1 + ΔP2 + ΔP3 +L + ΔPn +L
=
ΔP1
+
ρP1
A St
= g2 1+ g2
≈
g2
圆孔圆 锥形腔
2R
圆孔圆 柱形腔
2R
圆孔球
形腔 2R
第4章 红外辐射源
§4-1 黑体辐射源
2
讨论：
ε0
=
(1 −
ρ){1+ ρ[( A St ) − F (x, Δ)]}
1− ρ(1− A St )
(1)对圆孔球形腔 A 表示为 A
∴
A
=
A
St = F(x,Ω)
S0
红外辐射原理
红外辐射原理
红外辐射是一种波长较长、频率较低的电磁波，它存在于可见
光和微波之间。
红外辐射技术已经在许多领域得到了广泛的应用，
比如红外线摄像头、红外线加热器、红外线感应器等。
要了解红外
辐射的原理，首先需要了解红外辐射的产生和特性。
红外辐射是由物体的热运动引起的。
根据普朗克辐射定律，所
有物体都会以一定的频率辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关。
当物体的温度升高时，它所辐射的红外波长也会增加，这就是为什
么我们把高温物体看作红外辐射源的原因。
红外辐射的特性主要包括穿透性和反射性。
红外辐射能够穿透
一些透明的物体，比如玻璃和塑料，但会被不透明的物体所反射。
这就为红外辐射技术的应用提供了可能，比如红外线摄像头可以通
过透明的玻璃窗拍摄到室外的景象，而红外线感应器可以通过反射
来检测物体的存在。
另外，红外辐射还具有热成像的特性。
热成像技术利用物体的
红外辐射来显示其表面温度分布，通过不同颜色或亮度来表示不同
温度区域，这对于工业、医学和安防领域都具有重要意义。
红外辐射技术的应用非常广泛。
在军事领域，红外辐射技术可
以用于夜视仪和导弹制导系统；在医学领域，红外辐射技术可以用
于体温测量和医学影像；在工业领域，红外辐射技术可以用于热成
像检测和无损检测。
总的来说，红外辐射技术是一种非常重要的技术，它通过探测
物体的红外辐射来实现各种各样的应用。
随着科学技术的不断发展，红外辐射技术的应用领域也会不断扩大，为人类的生活带来更多的
便利和安全保障。
红外辐射原理
红外辐射原理
红外辐射原理是指物体在温度高于绝对零度（-273.15℃）时，会发出红外线光谱范围内的电磁辐射。
这种辐射的频率范围位于可见光谱的红色边缘之外，因此被称为红外辐射。
红外辐射不可见于人眼，但可以被红外线探测器等设备检测到。
红外辐射的产生是由于物体中的分子和原子在热运动中不断发生能量的转移和辐射。
根据物体的温度，它所辐射的红外辐射的强度和频率也会不同。
根据普朗克辐射定律，物体的发射功率与其温度的四次方成正比。
因此，温度越高的物体将会辐射出更多和更强烈的红外辐射。
红外辐射的传播特性与可见光不同。
红外辐射在空气中的传播损耗较大，而且很容易受到空气中的水蒸气和颗粒物的干扰，因此在大气中的传播距离较短。
此外，不同频率的红外辐射也会被不同物质所吸收和反射。
这为利用红外辐射对物体进行探测和测量提供了可能。
基于红外辐射原理的红外线探测器常用于热成像、红外线热感应和红外线通信等领域。
利用这些探测器，我们可以检测和测量物体的温度，实现无接触的红外测温功能。
此外，红外成像技术也被广泛应用于安防监控、医疗诊断、火灾探测和夜视等领域，发挥着重要的作用。
红外辐射和辐射源
高级红外光电工程导论中科院上海技术物理研究所教育中心序言 (4)第一章红外辐射和辐射源 (8)1． 1 红外光谱 (8)1． 2 辐射测量术语 (9)1．2．2 辐射亮度和理想朗伯体辐射计算 (10)1． 2．3 波段辐射量和光谱辐射量 (13)1． 3 点源和面源 ........................................................................................................... 错误！未定义书签。
1． 3．1点源产生的辐照度 : (14)1． 3．2面源产生的辐照度 (14)1．3．3 计算实例 (16)1． 4 辐射基本定律 (17)1． 4．1 辐射体的分类 (17)1． 4．2 热辐射定律 (18)1．4．2．1 基尔霍夫定律、比辐射率定义 (18)1．4．2． 2 普朗克定律 (20)1．4．2．3 斯蒂芬-波耳兹曼定律 (22)1．4．2． 4 维恩位移定律 (22)1．4．2． 5 微分辐射亮度 (23)1． 4．3 比辐射率 (25)1．4．3． 1 黑体、灰体和选择性辐射体 (25)1．4．3． 2 常用材料的比辐射率 (26)1.5 黑体型辐射源 (29)1． 5．1 黑体和黑体型辐射源 (29)1． 5．2 黑体腔的有效比辐射率 (30)1． 5．3 典型黑体辐射源的结构 (32)1． 6 红外辐射源 (34)1． 6． 1 标准辐射源和工程用辐射源 (34)1． 6．2 自然辐射源 (35)1．6．2．1 太阳 (36)1．6．2． 2 地球表面 (36)1．6．2．3 天空 (37)1．6．2． 4 外层空间 (39)1．6．2． 5 月球、行星和恒星 (40)1.7 目标辐射特性 (41)1． 7．1 有动力飞行器 (41)1．7．2 人体 (44)1． 7．3 地面车辆 (44)1． 8 红外辐射在大气中的传输 (44)1． 8．1 大气传输过程 (44)1． 8．2 大气吸收 (45)1． 8．3 大气散射 (46)1． 8．5 辐射大气传输的计算 (50)1. 8. 6 L0WTRAN7介绍 (51)1 ．8．6． 1 基本输入参数 (51)1 . 8. 6. 2 气溶胶参数 (56)1 . 8. 6. 3 路径、波长参数 (57)序言红外线是电磁波谱的一个部分，红外系统是用于红外辐射探测的仪器。
分析化学(仪器分析)第四章-仪器分析(IR)
2
第一节
概 述
当样品受到频率连续 变化的红外光照射时，分 子吸收某些频率的辐射， 并由其振动或转动运动引 起偶极矩的净变化，产生 分子振动和转动能级从基 态到激发态的跃迁，使相 应于这些吸收区域的透射 光强度减弱。记录红外光 的百分透射比与波数或波 长关系曲线，就得到红外 光谱。
3
第一节
概 述
一、红外光区的划分 红外光谱在可见光区和微波光区之间，波长 范围约为 0.75 ~ 1000µ m，根据仪器技术和应用 不同，习惯上又将红外光区分为三个区：近红外 光区（0.75 ~ 2.5µ m ），中红外光区（2.5 ~ 25 µ m ），远红外光区（25 ~ 1000 µ m ）。
17
第二节 红外吸收基本理论
由于分子非谐振性质，各倍频峰并非正好是基 频峰的整数倍，而是略小一些。以HCl为例：
基频峰（0→1） 二倍频峰（ 0→2 三倍频峰（ 0→3 四倍频峰（ 0→4 五倍频峰（ 0→5
） ） ） ）
2885.9 cm-1 5668.0 cm-1 8346.9 cm-1 10923.1 cm-1 13396.5 cm-1
9
第一节
概 述
三、红外光谱图表示方法
红外吸收光谱图一般用T ~ 曲线（线性波 长表示法）或T ~ 曲线（线性波数表示法）表 示。纵坐标为百分透射比T(%)，因而吸收峰向下， 向上则为谷；横坐标是波长（单位为µ m ）或波 数 （单位为cm-1）。 波长与波数之间的关系为： =104 /
伸缩振动
原子沿键轴方向伸缩，键长发生周期性变化 而键角不变的振动称为伸缩振动，用符号表示。 它又可以分为对称伸缩振动（s）和不对称伸缩振 动（ as ）。对同一基团，不对称伸缩振动的频 率要稍高于对称伸缩振动。
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——红外技术及应用
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• 黑体型辐射源作为标准辐射源，广泛地用 做红外设备的绝对标准。然而，黑体是一 种理想化的概念，在自然界并不存在绝对 的黑体。因此，我们也就不可能制作出一 个绝对黑体。由前面的讨论可知，开有小 孔的空腔很接近黑体，所以通常就把开有 小孔的空腔叫做黑体辐射源（或标准黑体 辐射源）。它可以作为一种标准来校正其 他辐射源或红外系统。
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• 4.1.1 空腔辐射理论
4.1 黑体型辐射源
• 基尔霍夫定律证明密闭空腔内的辐射就是黑体的 辐射。
• 腔体辐射理论是制作黑体源所涉及的基础，主要 有哥福（ Gouffé）理论、德法斯（ Devos ）理论 等。 • Gouffé在1954年提出了一个计算开孔空腔有效发 射率的表达式。 Devos在1954年给出了黑体辐射 源腔孔有效发射率的计算公式。
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4.1.2 黑体辐射源
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• 典型的实用黑体型辐射源的构造如图 4-1所示 •
图4-1 三种典型的腔体结构
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• 如按辐射腔口的口径尺寸来分类，则可把 黑体型辐射源分为以下三类： • 大型：Ф≥100mm； • 中型：Ф≈30 mm； • 小型：Ф≤10 mm。 • 如按工作温度的范围来分类，则可把黑体 型辐射源分为以下三类： • 高 低温：400～200K。
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• • • • •
激光与普通光源相比，有如下三个特点。
1．激光的方向性好 2．激光光束具有高亮度 3．单色性和相干性好
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• 任何种类的激光器，其基本结构必然包括 以下三个主要组成部分： • （1）工作物质：用来在特定能级间实现粒 子数反转并产生受激发射。 • （2）抽运（泵浦）装置：用来激励工作物 质，使其产生并维持特定能级间的粒子数 反转和相应的受激发射。 • （3）光学谐振腔：其作用是保证受激发射 光子在腔内产生持续的激光振荡，此外还 对振荡光子的特征（频率、方向等）加以 限制，以保证激光输出的高定向性和高单 色性。
——红外技术及应用 • 教学目的：对各种辐射源的了解在红外物理技术 的应用实践和工程设计中起着非常重要的作用。 本章讨论了作为标准用于校准的黑体型辐射源。 随后讨论了实验室常用的电热固体辐射源、气体 放电辐射源、红外激光器等其他标准辐射源。 • 教学方法：面授 • 教学手段：板书 • 学时分配：6 • 重点、难点： • 1.重点掌握黑体辐射源的空腔辐射理论和腔体结 构。 • 2.对电热固体辐射源、气体放电辐射源、红外激 光器的特性有必要的了解。
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在设计制造黑体型辐射源时， 应考虑以下几个问题。
• • • • • 1．腔形的选择 2．对腔芯材料加热的要求 3．腔体的等温加热 4．腔体的温度控制和测量 5．降低黑体前表面的辐射
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黑体视场的示意图
图4-2 黑体视场的示意图
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4.2 其它红外辐射源
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• 4．乳白石英加热管 • • 乳白石英加热管是一种新型红外加热元件。 • 乳白石英加热管是以天然水晶为原料，在以石墨 电极为坩埚发热体的真空电阻炉中熔融（1740℃） 拉制而成的。在熔融过程中，使气体在熔体中形 成大量的小气泡，故外观呈乳白色。乳白石英玻 璃材料耐热性能好（可耐200℃～1300℃高温）， 热膨胀系数低，有优良的抗热震性能和电绝缘性 能，此外，还具有很好的化学稳定性，但机械强 度和耐冲击性能较差。
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4.2.2 气体放电辐射源
• 当电流通过气体媒质时，会产生放电现 象，利用这种放电现象可制作辐射源。 • • 1．水银灯 • 2．氙气 • 3．碳弧
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4.2.3 红外激光器
• 激光器是20世纪60年代发展起来的一种新型 光源。与普通光源相比，激光具有方向性好、 亮度高、单色性和相干性好等特性。激光器的 出现从根本上突破了以往普通光源的种种局限 性（如亮度低、方向性和单色性差等），赋予 古老光学技术以新的生命力，产生了许多新的 分支学科，如全息照相、光信息处理、非线性 光学等。本节将简单介绍激光的特性及常用的 红外激光器。
• 下面主要介绍实验室和光谱仪器中常用的 红外辐射源，如能斯脱灯、硅碳棒、钨丝 （带、管）灯、氙灯、汞灯和各种气体放 电灯等等。
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• 1．能斯脱灯
4.2.1 电热固体辐射源
• 能斯脱灯常作为红外分光光度计中的红外辐射源。 它有寿命长，工作温度高，黑体特性好和不需要 水冷等特性。管子两端绕有铂丝，以作为电极与 电路的连接。 • 由于能斯脱灯都是细长的圆柱形，因而对分光光 度计狭缝的照明特别有用。能斯脱灯的主要缺点 是机械强度低，稍受压，就会损坏。 • 典型能斯脱灯的各项参数如下：功率消耗为45W、 工作电流为0.1A；工作温度为1980K；尺寸为 3.1mm（直径）×12.7mm（长度）。
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• 2. 硅碳棒 • 硅碳棒是用碳化硅（SiC）做成的圆棒。一 般硅碳棒的直径为6～50 mm，长度为5～ 100cm。在空气中的工作温度一般在 1200～1400K，寿命约为250h。 • 硅碳棒的主要缺点是最高工作温度较低， 需要镇流的电源设备。同时，由于碳化硅 材料的升华效应，会使材料粉末沉积在光 学仪器表面上，因此它不能靠近精密光学 仪器附近工作。另外，工作时需要水冷装 置，耗电量较大等
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硅碳棒
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• 3． 钨丝灯、钨带灯和钨管灯 • 钨丝灯是近红外测量中常用的辐射源。但 由于玻璃泡透过区域的限制，这种灯的辐 射波长通常在3μm以下。 • 钨带灯是将钨带通电加热而使其发光的光 源。钨带常做成狭长的条形，宽约为2mm， 厚度约为0.05mm左右。 • 钨管灯是由一根在真空或氩气中通电加热 的钨管做成的。真空灯的温度可达1100℃， 充氩灯的温度可达2700℃。