红外辐射测温理论第01章

红外辐射测温技术绪论■红外辐射从波长很长的无线电波到波长很短的宇宙射线都是不同波长的电磁波，或称为电磁辐射。电磁波:=c光速：式中：－波长m；－频率s-1；c－电磁波传播速度m/s真空中：c=3108m/s■红外辐射红外技术是研究红外波段内电磁波的规律并使其应用的一门现代技术。(热效应最显著)要点：“红外辐射是人眼看不见的光线”；“红外辐射就是热辐射”“对红外线的研究也属于光学范畴。”•军事侦察、监视、预警与跟踪；•红外制导；•红外通信；•军用夜视仪；•探测隐身飞行器。红外技术的应用:•红外测温；•红外遥控；•红外医疗；•红外加热；•红外光谱技术。军事方面：民用方面：■红外辐射■测温技术温度测量的方法：非接触法测温—辐射测温法接触法测温热电偶热电阻辐射测温特点：•响应速度快；•分辨率高；•适用于旋转、移动物体；•热容量小的物体；•腐蚀性场合；•接触式测温无法使用的场合。优点：•焊接、炉窑、焦化、电力（变压器）•感应加热、塑料、玻璃•金属挤压成型•热处理和退火应用：电力、冶金、化工橡胶等领域■测温技术温度测量的方法：非接触法测温—辐射测温法接触法测温热电偶热电阻辐射测温特点：•只能测得亮度温度或辐射温度;•外来光干扰(外部热源)和光路中干扰(水蒸汽、尘埃等);•被测表面发射率变化，这是一个难题;•需适时用黑体炉检定或校验。缺陷：（1）红外辐射基本理论（2）工业黑体辐射源（3）黑体空腔有效发射率（4）黑体空腔积分发射率和有效温度（5）辐射测温仪表（6）辐射测温技术应用■内容简介相关知识：红外物理红外光学红外探测器信号处理技术第一章红外辐射基本理论1.1红外辐射的一般概念波长在0.1~40m范围内的电磁波(包括可见光和红外线的短波部分)热效应最显著，所以把这部分波长的电磁波称为热射线或热辐射。任何温度超过热力学温度零开尔文的物体都能发射热辐射；热辐射是一种电磁波。1.辐射的吸收、反射、透过及绝对黑体Q0QQQQ0—入射能量Q—反射能量Q—吸收能量Q—透过能量0QQQQ1000QQQQQQ1或＝1时，全反射镜体（反射服从一定规律）绝对白体（反射无规律）；＝1时，绝对黑体，简称黑体；＝1时，绝对透明体。式中：—吸收率，—反射率，—透过率•镜面反射—入射角等于反射角；•漫反射—平行光反射后沿各个方向均匀分布；实际表面既不是镜面反射也不是均匀的漫反射。镜面反射漫反射2.热辐射的基本定律为了从数量上表示物体的辐射能力，引入该物理量。辐射功率E：单位时间内从单位表面积上向半球空间各方向发射的全部波长的总辐射能量，单位W/m2，用E表示。单色辐射功率E：单位时间内从单位表面积上向半球空间各方向发射的某特定波长的单位波长宽度内的能量，单位W/m2，用E表示。EddEElim0若波长+范围内的辐射功率用E表示，则E可表示为：辐射功率和单色辐射功率关系：dEE0W/(m2.m)W/m2黑体：其辐射功率和单色辐射功率用符号Eb和Eb表示。2.1普朗克定律单位面积黑体在半球面方向、单位时间的光谱辐射通量是波长和黑体温度的函数。mW/m1exp2251TCCEbC1—第一辐射常数，21621mW10000020.0741832.32hcCC2—第二辐射常数，Km10000045.0438786.122KhcC—波长，mT—绝对温度，KK—玻耳兹曼常数，1.38066210-23J/Kh—普朗克常数，6.62617610-34J.sc—电磁波在真空中的传播速度，3108m/s式中，0123456789101112131415012345678x10820~300℃范围内黑体单色辐通量波长单色辐射功率01234567891011121314150123456789x101020~1200℃范围内黑体单色辐通量波长单色辐射功率1200℃1100℃1000℃900℃800℃700℃600℃500℃300℃280℃250℃220℃200℃180℃150℃120℃100℃80℃50℃20℃（1）在某一固定温度下，黑体单色辐射功率Eb随波长而变化，并且存在最大值；其最大值，随温度的增高向短波方向移动。＊为红外光学系统选择合适的波段提供参考。（2）温度越高，单色辐射功率越强。规律：2.2维恩公式早在普朗克定律建立之前，1894年维恩就提出了黑体单色辐射功率公式。TCCEb251exp1exp251TCCEb普朗克公式与普朗克公式相比，当“T”较小时，则有TCTC22exp1exp－维恩位移定律：由普朗克定律可知，在任意温度下，黑体光谱辐射通量都有一个最大值，最大值对应的波长称为峰值波长m，将维恩公式对求导，令其等于0，则可得:6.289752CTm（m.K）∴温度越高，则峰值波长m越小。例：钢坯表面颜色对温度的变化；若测量温度为1600℃左右的物体表面温度，根据维恩公式计算可得：547.127316006.2897m∴在选择辐射测温仪器的工作波段时最好在该波段附近。在一般工业温度范围内，单色辐射功率m都处于红外波段内。（m）2.3斯蒂芬－玻耳兹曼定律（全辐射定律）式中，—斯蒂芬-玻耳兹曼常数，普朗克公式给出了绝对温度为T的黑体，单色辐射通量随波长的分布，若从零到无穷大的波长范围内对普朗克公式积分，就得到绝对温度为T的黑体，单位面积向半球空间发射的全波长范围内的辐射通量。)K(W/m1000071.067032.51524282345chK＝4025101expTdTCCEEbbd2.4兰贝特定律－余弦辐射定律（定向辐射强度）为了描述辐射能在空间不同方向上的分布规律，引出定向辐射强度的概念。在单位时间内发射出的单位可见辐射面积对应的单位立体角内所包围的辐射能称为定向辐射强度。（W/（sr•m²）ddAdQIppcosIp—与辐射面法线成角的p方向上的定向辐射强度。dQp—dA在与其法线成角的p方向上，在单位时间内d内发射出的辐射能。式中：在半球空间，各个方向上的定向辐射强度都相等，即兰贝特定律:Ip＝Im＝In＝……＝I这种定向辐射强度与方向无关的规律称为兰贝特定律。黑体是完全符合兰贝特定律的辐射体。cosIddAdQp＝将前面式子改写，有：黑体单位面积向空间不同方向发射的辐射能与该方向和法线的夹角的余弦成正比。兰贝特定律又称为余弦定律。说明：定向辐射强度与辐射功率的关系：即对定向辐射强度，在半球范围内进行积分，22cosdIdAdQEp对于半球面上所截微元面积df，可看成是微矩形面积，则其边长可表示为rd和rsind，ddrdfdsin2df=r2sinddIddIddIE20202sincossincos∴半球辐射功率是任何方向上定向辐射强度的倍。（兰贝特的辐射体）实际物体、黑体和灰体的辐射实际辐射表面单色辐射功率按波长分布是不规则的，而且在同一温度下实际辐射表面单色辐射功率总是小于对应波长下黑体单色辐射功率。引入发射率（黑体系数）：相同温度下，实际物体的半球总辐射能与黑体半球总辐射能之比。4TEEEb3.实际辐射表面和基尔霍夫定律实际物体、黑体和灰体的辐射单色发射率（黑体系数）b：bEE黑体：灰体：实际物体：其随波长而变化。1＝）＝常数（1说明：发射率与物质种类、表面状态（粗糙度、氧化度等）、温度等因素有关。基尔霍夫定律：若两表面处于动平衡，则T1＝T2：∴＝说明：善于发射的物体也一定善于吸收。bEEq0基尔霍夫定律的推演T2T1EEbEb(1-)Eb黑体EEqb同理，基尔霍定律也适用于单色辐射，即:bEE＝实际物体空间辐射特性：为要表明一些实际物体在空间各不同方向的辐射特性，引进定向发射率的概念。bIIIbθI式中：—物体的定向发射率，表示辐射方向与表面法线之间的夹角；—物体在该方向的定向辐射强度；—同温度下黑体在该方向的定向辐射强度。黑体完全遵守兰贝特定律。实际表面只是近似地服从兰贝特定律，就是说实际表面的定向辐射强度或定向发射率与方向有关。•从表面的法线开始在一定角度范围内，定向发射率不变化;•然后随着角度的增加而增大，在角接近90时，值急剧减小。不变化金属导体材料非导体材料•表面法线方向上的定向发射率最大;•在离开法线相当大的角度范围内,变化不大;•当角度大约超过60以后,值才明显减小;•当＝90时，值变为零。物体发射率的一般变化规律：（1）对于兰贝特辐射体，三种发射率n、和h（半球发射率）相等。对于电绝缘体，εh/εn在0.95～1.05之间，其平均值为0.98，对这种材料，在θ角不超过65°或70°时，与εn仍然相等。对于导电体，εh/εn在1.05～1.33之间，对大多数磨光金属，平均值为1.20，即半球发射率比法向发射率约大20%，当θ角超过45°时，与εn差别明显。（2）金属的发射率是较低的，但它随温度的升高而增高，并且当表面形成氧化层时，可以成10倍或更大倍数地增高。（3）非金属的发射率要高些，一般大于0.8，并随温度的增加而降低。（4）金属及其他非透明材料的辐射，发生在表面几微米内，因此发射率是表面状态的函数。涂敷或刷漆的表面发射率是涂层本身的特性，而不是基层表面的特性。对于同一种材料，由于样品表面条件的不同，测得的发射率值会有差别。（5）介质的光谱发射率随波长变化而变化。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。在解释一些现象时，要注意此特点。例如，白漆和涂料TiO2等在可见光区有较低的发射率，但当波长超过3μm时，几乎相当于黑体。用它们覆盖的物体在太阳光下温度相对较低，这是因为它不仅反射了部分太阳光，而且几乎像黑体一样的重新辐射所吸收的能量。而铝板在直接太阳光照射下，相对温度较高，这是由于它在10μm附近有相当低的发射率，因此不能有效地辐射所吸收的能量。各种材料的光谱发射率4.组成封闭空间两物体的辐射换热4.1有效辐射bεEαGGα1固有辐射：投射辐射：G反射辐射：吸收辐射：有效辐射（J）=固有辐射+反射辐射GEJb1W/m2物体表面能量收支差额q：GEqbGJq从物体内部角度看：从物体外部角度看：整理上两式，消去G，可得：qEJb11根据基尔霍夫定律，上式可写为：qEJb114.2封闭空间内两物体间的辐射换热模型：灰体Ⅰ：表面积、温度和发射率A1，T1，1平或凸表面灰体Ⅱ：表面积、温度和发射率A2，T2，2Ⅱ包围Ⅰ∴①Ⅰ表面的有效辐射A1J1可全部到达Ⅱ表面上；②Ⅱ表面的有效辐射A2J2只有一部分投射到Ⅰ表面上，设其所占的百分数为F21（称为Ⅱ对Ⅰ的角系数），其余部分投射在自己的表面上，两个表面间的换热量可表示为：22211121JAFJAQ（a）根据有效辐射公式，可以分别写出表面Ⅰ、Ⅱ的有效辐射能量：11111111QEAAJb22222211QEAAJb式中Q1和Q2分别表示表面Ⅰ和Ⅱ损失的能量，∵换热只在两个面之间进行，∴在稳定的情况下，有:2121QQQ111221122211121FEAFEAQbb代入（a）中，整理可得:（适用于任何温度）22211121JAFJAQ为确定角系数F21，设T1=T2，则此时有Q1-2=0，可以求出：2121FAA111111