红外线技术应用讲解第三章红外辐射源
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• 3．腔体的等温加热 • 加热绕阻或热管
• 4．腔体的温度控制和测量 • 5．降低黑体前表面的辐射
• 加限制光阑
15
三、等效辐射
黑体
探测器等
l 设图中虚线为“光轴”，光光阑阑孔面积为AS，其法线与光轴的夹角为ΘS；探测器
接收辐射面面积为AD，其法线与光轴的夹角为ΘD，则
黑体辐射经光阑后的辐射强度：
• 首先，从理论上，根据相关理论，由腔体的形状、尺寸 及温场分布来计算它的发射率，以估计它与理想黑体的 偏离程度。
• 其次，对其性能进行实际测试。
• 首先，检测黑体腔内温度的均匀程度(<1K)。
• 其次，检测温度其稳定性(<0.5K/4H)。
• 第三，检测实际黑体与斯帝芬-玻尔兹曼定律的符合程度。
考虑到环境温度T0，则探测器上 接收到的黑体的辐射功率为：
• 三者发射率的比较（如图）
• 3.1.2 实际黑体
一、实际黑体的发射率
• 吸收率Α接近于1。
• 用其作为标准来校正其它红外辐射源或红外系统。
• 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，主要有古费 （GOUFFÉ）理论、德法斯（DEVOS）理论等。
P0(Tl42T04) AsAd
1. 测量探测器信号与AS的关系 2. 测量探测器信号与L2的关系
3. 测量探测器信号与T4的关系
性能较好的黑体应得到很好的线性关系(尤其2, 3)，通过测量其 斜率可得到Σ的实验值，可将其与斯帝芬-玻尔兹曼常数比 17 较。
5
灰体？
• 灰体的发射率Ε也是与温度和波长无关的常数，只不过Ε＜1。 • 辐射体分为三类
• 黑体 • 灰体（实际黑体可看作发射率接近于1的灰体）
• 自然界中，大地、空间背景、人体（皮肤）、无动力空间飞行器、喷气式飞 机尾喷管等辐射体都可看作灰体。
• 选择性辐射体
• 发射率不是常数，与波长有关，是波长的函数。
•则
0 '0 ( 1 K ) 0 .9 5 1 .0 2 3 5 0 .9 7 2 13 32 5
• (4)计算黑体的有效发射率
二、实际黑体的结构及分类
• 实际黑体，俗称黑体炉。其结构如图：
结构组成：
• 黑体芯子 • 加热绕阻 • 测量与控制腔 体温度的温度计 和温度控制器
14
• 按其工作温度来分可分为三类：
• 低温黑体：小于100ºC • 中温黑体：100~1000ºC • 高温黑体：1000ºC以上。
• 设计制作黑体时应考虑以下问题：
• 1．腔形的选择 • 球型、锥型、柱型
• 2．对腔芯材料的选择(好的热导率、高的抗氧化能力或氧化层不易脱落、高 发射率) • 低于600K可选用铜； • 1400K以下可选用铬镍不锈钢； • 高于1400K用石墨或陶瓷。
F(x,)g2(11g2)g2
• 锥型腔： • 柱型腔： • 球型腔：
A
1
g(
)g(1g)
St g 1g2
A1g( 1 )1g(1g) St 2 1g 2
SAt g2(112g2)g2
9
1/g
可见,L/R一定时,比较 A/St: 球形腔最小,圆锥腔 最大,而圆柱腔居中!
10
• 将F(X,Ω)用A/S0表示,则实际黑体的发射率公式可以写成
• GOUFFÉ在1954年提出了一个计算开孔空腔有效发射率的
St
表达式：
A
0
1
(1
)
A St
F
(x,
)
1
A St
ຫໍສະໝຸດ Baidu
A St
其中ε是腔内表面的发射率；A是开孔面积；St是腔体内表面总面积(包
括A)。F(x,Ω)是与开孔相对于腔底的立体角有关的一个值。
8
F ( x , ) 1 c o s d 1 0 2 d 0 0 c o ss i n d s i n 2 0 R 2 / ( L 2 R 2 ) • 常用的腔型有：球型腔、锥型腔、柱型腔。 • 设G=R/L<<1为腔的几何因子，则
I L A sc o ss M bA sc o ss0T 4A sc o ss
黑体在探测器表面产生的辐照度：
探测器接收辐射功率(θs = θd =0)：
EIco l2 sd0 lT 24A scosscosd PEAd 0lT2 4 AsAd 16
四、黑体的鉴定
• 对于实际的黑体，要根据有关热辐射理论，按各项技术 指标，认真地进行鉴定，以确定它与理想黑体的偏离程 度。
• 3.5 汞灯
• 3.6 发光二极管
• 3.7 红外激光器
• 3.8 太阳辐射
• 3.9 月球
• 3.10 地球
• 3.11 人体
3
3.1 黑体 (BLACK BODY)
4
• 3.1.1 理想黑体
• 理想黑体：
• 黑体的吸收率Α=1
• 物体发射率定义为
光谱发射率定义为 • 根据基尔霍夫辐射定律
'0
• (2)由图B查找相应的
'0
• 设材料的发射率为0.5,则 =0.95
• (3)由图A得到K的值 • 由于L/R>>1,则A/S0的值与球形腔的A/ST的 值相同,则K表达式中的(A/ST-A/S0)的值则为
图上K 两曲 ( 线1 的0 差.5 值) ,对0 .于0 4 本7 例 约0 .为0 2 03 .05 47;
0
1(1)
A St
A S0
1
SAt
A St
'0(1K)
• 其中
K
(1)
A St
A S0
'0
1
A St
A St
11
曲线表示了 ' 0 与A/St的关系.
12
• 利用上面两图可计算实际黑体的发射率:
• (1)由黑体的L/R从图A中得到A/ST的值; • 如设为圆锥腔L/R=20,查图得A/ST=0.05
红外线技术应用讲解 第三章 红外辐射源
1
• 原则上说，凡是温度高于绝对0度的物体都是红外辐射源。 • 可分为人工辐射源和自然辐射源；又可分为相干辐射源和非相干辐射
源。 • 本章主要介绍红外辐射实验或红外技术研究中常用的辐射源。
2
本章目录
• 3.1 黑体
• 3.2 能斯特灯
• 3.3 硅碳棒
• 3.4 钨带灯
(T ) M (T )
M b (T )
(T )
M (T ) Mb (T )
M(T)：T温度下的 辐射度;
Mb(T)黑体在T温度 下的辐射度。
• 基尔• 霍任夫何辐物体射的定(发律射,的率T 另等)一于 描它M 在述相形同(式T 温：)度和 相M 同条件(T 下)的 吸收率(。,T)
M b(T) E (T)
• 4．腔体的温度控制和测量 • 5．降低黑体前表面的辐射
• 加限制光阑
15
三、等效辐射
黑体
探测器等
l 设图中虚线为“光轴”，光光阑阑孔面积为AS，其法线与光轴的夹角为ΘS；探测器
接收辐射面面积为AD，其法线与光轴的夹角为ΘD，则
黑体辐射经光阑后的辐射强度：
• 首先，从理论上，根据相关理论，由腔体的形状、尺寸 及温场分布来计算它的发射率，以估计它与理想黑体的 偏离程度。
• 其次，对其性能进行实际测试。
• 首先，检测黑体腔内温度的均匀程度(<1K)。
• 其次，检测温度其稳定性(<0.5K/4H)。
• 第三，检测实际黑体与斯帝芬-玻尔兹曼定律的符合程度。
考虑到环境温度T0，则探测器上 接收到的黑体的辐射功率为：
• 三者发射率的比较（如图）
• 3.1.2 实际黑体
一、实际黑体的发射率
• 吸收率Α接近于1。
• 用其作为标准来校正其它红外辐射源或红外系统。
• 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，主要有古费 （GOUFFÉ）理论、德法斯（DEVOS）理论等。
P0(Tl42T04) AsAd
1. 测量探测器信号与AS的关系 2. 测量探测器信号与L2的关系
3. 测量探测器信号与T4的关系
性能较好的黑体应得到很好的线性关系(尤其2, 3)，通过测量其 斜率可得到Σ的实验值，可将其与斯帝芬-玻尔兹曼常数比 17 较。
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灰体？
• 灰体的发射率Ε也是与温度和波长无关的常数，只不过Ε＜1。 • 辐射体分为三类
• 黑体 • 灰体（实际黑体可看作发射率接近于1的灰体）
• 自然界中，大地、空间背景、人体（皮肤）、无动力空间飞行器、喷气式飞 机尾喷管等辐射体都可看作灰体。
• 选择性辐射体
• 发射率不是常数，与波长有关，是波长的函数。
•则
0 '0 ( 1 K ) 0 .9 5 1 .0 2 3 5 0 .9 7 2 13 32 5
• (4)计算黑体的有效发射率
二、实际黑体的结构及分类
• 实际黑体，俗称黑体炉。其结构如图：
结构组成：
• 黑体芯子 • 加热绕阻 • 测量与控制腔 体温度的温度计 和温度控制器
14
• 按其工作温度来分可分为三类：
• 低温黑体：小于100ºC • 中温黑体：100~1000ºC • 高温黑体：1000ºC以上。
• 设计制作黑体时应考虑以下问题：
• 1．腔形的选择 • 球型、锥型、柱型
• 2．对腔芯材料的选择(好的热导率、高的抗氧化能力或氧化层不易脱落、高 发射率) • 低于600K可选用铜； • 1400K以下可选用铬镍不锈钢； • 高于1400K用石墨或陶瓷。
F(x,)g2(11g2)g2
• 锥型腔： • 柱型腔： • 球型腔：
A
1
g(
)g(1g)
St g 1g2
A1g( 1 )1g(1g) St 2 1g 2
SAt g2(112g2)g2
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1/g
可见,L/R一定时,比较 A/St: 球形腔最小,圆锥腔 最大,而圆柱腔居中!
10
• 将F(X,Ω)用A/S0表示,则实际黑体的发射率公式可以写成
• GOUFFÉ在1954年提出了一个计算开孔空腔有效发射率的
St
表达式：
A
0
1
(1
)
A St
F
(x,
)
1
A St
ຫໍສະໝຸດ Baidu
A St
其中ε是腔内表面的发射率；A是开孔面积；St是腔体内表面总面积(包
括A)。F(x,Ω)是与开孔相对于腔底的立体角有关的一个值。
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F ( x , ) 1 c o s d 1 0 2 d 0 0 c o ss i n d s i n 2 0 R 2 / ( L 2 R 2 ) • 常用的腔型有：球型腔、锥型腔、柱型腔。 • 设G=R/L<<1为腔的几何因子，则
I L A sc o ss M bA sc o ss0T 4A sc o ss
黑体在探测器表面产生的辐照度：
探测器接收辐射功率(θs = θd =0)：
EIco l2 sd0 lT 24A scosscosd PEAd 0lT2 4 AsAd 16
四、黑体的鉴定
• 对于实际的黑体，要根据有关热辐射理论，按各项技术 指标，认真地进行鉴定，以确定它与理想黑体的偏离程 度。
• 3.5 汞灯
• 3.6 发光二极管
• 3.7 红外激光器
• 3.8 太阳辐射
• 3.9 月球
• 3.10 地球
• 3.11 人体
3
3.1 黑体 (BLACK BODY)
4
• 3.1.1 理想黑体
• 理想黑体：
• 黑体的吸收率Α=1
• 物体发射率定义为
光谱发射率定义为 • 根据基尔霍夫辐射定律
'0
• (2)由图B查找相应的
'0
• 设材料的发射率为0.5,则 =0.95
• (3)由图A得到K的值 • 由于L/R>>1,则A/S0的值与球形腔的A/ST的 值相同,则K表达式中的(A/ST-A/S0)的值则为
图上K 两曲 ( 线1 的0 差.5 值) ,对0 .于0 4 本7 例 约0 .为0 2 03 .05 47;
0
1(1)
A St
A S0
1
SAt
A St
'0(1K)
• 其中
K
(1)
A St
A S0
'0
1
A St
A St
11
曲线表示了 ' 0 与A/St的关系.
12
• 利用上面两图可计算实际黑体的发射率:
• (1)由黑体的L/R从图A中得到A/ST的值; • 如设为圆锥腔L/R=20,查图得A/ST=0.05
红外线技术应用讲解 第三章 红外辐射源
1
• 原则上说，凡是温度高于绝对0度的物体都是红外辐射源。 • 可分为人工辐射源和自然辐射源；又可分为相干辐射源和非相干辐射
源。 • 本章主要介绍红外辐射实验或红外技术研究中常用的辐射源。
2
本章目录
• 3.1 黑体
• 3.2 能斯特灯
• 3.3 硅碳棒
• 3.4 钨带灯
(T ) M (T )
M b (T )
(T )
M (T ) Mb (T )
M(T)：T温度下的 辐射度;
Mb(T)黑体在T温度 下的辐射度。
• 基尔• 霍任夫何辐物体射的定(发律射,的率T 另等)一于 描它M 在述相形同(式T 温：)度和 相M 同条件(T 下)的 吸收率(。,T)
M b(T) E (T)