红外技术 第三章 红外辐射源分解
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第三章 红外辐射源
信息科学与工程学院 冯传胜 Email: fcs@ 下载：/
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。
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
A A 1 (1 ) St S 0 0 '0 (1 K ) A A 1 St St
• 其中
A A K (1 ) St S 0
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 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
K (1 0.5) 0.047 0.0235
– (4)计算黑体的有效发射率
0 '0 (1 K ) 0.95 1.0235 0.972325
13
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
8
F ( x, )
1
cos d
1
2
0
d cos sin d sin 2 0 R 2 /( L2 R 2 )
0
0
• 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
1 2 F ( x, ) g 2 ( ) g 1 g 2
'0
A A 1 S t 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 – (2)由图B查找相应的 '0 » 设材料的发射率为0.5,则 '0 =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 为图上两曲线的差值,对于本例约为0.047; »则
– 理想黑体：
• 黑体的吸收率α=1
M (T ) (T ) M b (T ) M (T ) (T ) M b (T )
M(T)：T温度下的 辐射度; Mb(T)黑体在T温度 下的辐射度。
– 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
M (T ) M (T ) ( , T ) ( , T ) M b (T ) E (T )
A 1 g( ) g (1 g ) – 锥型腔： S 2 g 1 g t
A 1 1 1 g( ) g (1 g ) – 柱型腔： St 2 1 g 2
– 球型腔：
A 1 2 2 g ( ) g S比较 A/St: 球形腔最小,圆锥腔 最大,而圆柱腔居中!
14
• 按其工作温度来分可分为三类：
– 低温黑体：小于100º C – 中温黑体：100~1000º C – 高温黑体：1000º C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。 – 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
• 选择性辐射体
–发射率不是常数，与波长有关，是波长的函数。
• 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。 • Gouffé 在1954年提出了一个计算开孔空腔有效发射率的表 达式：
St
A
A 1 (1 ) F ( x, ) St 0 A A 1 St 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。
三、等效辐射
黑体 l
光阑 设图中虚线为“光轴”，光阑孔面积为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：
探测器等
0 T 4 I LAs cos s As cos s As cos s
Mb
探测器接收辐射功率(θs = θd =0)：
4
黑体在探测器表面产生的辐照度：
I cos d 0 T E As cos s cos d 2 2 l l
• 基尔霍夫辐射定律的另一描述形式：
– 任何物体的发射率等于它在相同温度和相同条件下的 吸收率。
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。
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– 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。
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
A A 1 (1 ) St S 0 0 '0 (1 K ) A A 1 St St
• 其中
A A K (1 ) St S 0
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本章目录
• • • • • • • • • • • 3.1 黑体 3.2 能斯特灯 3.3 硅碳棒 3.4 钨带灯 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
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3.1 黑体 (Black Body)
4
• 3.1.1 理想黑体
K (1 0.5) 0.047 0.0235
– (4)计算黑体的有效发射率
0 '0 (1 K ) 0.95 1.0235 0.972325
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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
8
F ( x, )
1
cos d
1
2
0
d cos sin d sin 2 0 R 2 /( L2 R 2 )
0
0
• 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
1 2 F ( x, ) g 2 ( ) g 1 g 2
'0
A A 1 S t 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 – (2)由图B查找相应的 '0 » 设材料的发射率为0.5,则 '0 =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 为图上两曲线的差值,对于本例约为0.047; »则
– 理想黑体：
• 黑体的吸收率α=1
M (T ) (T ) M b (T ) M (T ) (T ) M b (T )
M(T)：T温度下的 辐射度; Mb(T)黑体在T温度 下的辐射度。
– 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
M (T ) M (T ) ( , T ) ( , T ) M b (T ) E (T )
A 1 g( ) g (1 g ) – 锥型腔： S 2 g 1 g t
A 1 1 1 g( ) g (1 g ) – 柱型腔： St 2 1 g 2
– 球型腔：
A 1 2 2 g ( ) g S比较 A/St: 球形腔最小,圆锥腔 最大,而圆柱腔居中!
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• 按其工作温度来分可分为三类：
– 低温黑体：小于100º C – 中温黑体：100~1000º C – 高温黑体：1000º C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。 – 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
• 选择性辐射体
–发射率不是常数，与波长有关，是波长的函数。
• 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。 • Gouffé 在1954年提出了一个计算开孔空腔有效发射率的表 达式：
St
A
A 1 (1 ) F ( x, ) St 0 A A 1 St 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。
三、等效辐射
黑体 l
光阑 设图中虚线为“光轴”，光阑孔面积为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：
探测器等
0 T 4 I LAs cos s As cos s As cos s
Mb
探测器接收辐射功率(θs = θd =0)：
4
黑体在探测器表面产生的辐照度：
I cos d 0 T E As cos s cos d 2 2 l l
• 基尔霍夫辐射定律的另一描述形式：
– 任何物体的发射率等于它在相同温度和相同条件下的 吸收率。
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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。