红外测温传感器及红外辐射计实验报告

三、红外测温传感器及红外辐射计的应用【实验目的】1.了解红外线的辐射与吸收，通过改变红外辐射的强度来验证维恩位移定律和斯蒂芬——玻耳兹曼定律。2.学习红外辐射计的使用。【实验原理】1.黑体辐射如果一个物体吸收任何波长全部辐射的能力等于它向外辐射的能力，这个物体就称之为黑体。黑体能够吸收它辐射的全部能量，相同温度下的各种物体以黑体向外辐射的能量最大。自然界的所有物体对于投射到自身的辐射能量，都有不同程度的吸收、反射和透射能力。设外界透射到物体表面的总能量为E，其中一部分能量E1被物体吸收，另一部分能量E2被物体反射，其余能量E3穿透物体。根据能量守恒定律有：E1/E+E2/E+E3/E=𝛼+𝜌+𝜏=1。𝜏=E3/E——物体对辐射的透射率；对于黑体来说，在任何温度下对于任何波长的辐射能量的吸收率等于1，即：𝛼=1，𝜌=0，𝜏=0。黑体的辐射率𝜀入=𝜀=1，如果物体的辐射率𝜀入=𝜀<1，则该物体称之为灰体。黑体的普朗克定律：定义为单位表面积的黑体，以特定波长𝜆在单位波长间隔d𝜆内，向周围空间辐射的辐射度。表示为：M𝜆(𝜆，T)=（C1/𝜆5）（1/ec2/𝜆T-1）W/m3；上式中：𝜆——波长，um；T——热力学温度，K；C1=2𝜋hc2=3.7418*10-16——第一辐射常数，W*m2；C2=hc/k=1.43879*10-2——第二辐射常数，m*K；其中：2.9979*108——真空中的光速，m/s；h=6.6256*10-34——普朗克常数，J*s；k=1.38054*10-23——玻耳兹曼常数，J/K。对于任一特定温度T下，黑体的光谱辐射度均存在一个极大值𝜆max，随着温度的升高，𝜆max向短波长方向移动，这称为维恩位移定律。将普朗克公式对波长求导数，令其导数等于零，取得极大值𝜆max，即得到维恩公式：𝜆max=2.898*10-3/T，将普朗克公式从0~∞积分，可得到黑体的全部辐射强度：M(T)=∫0∞M𝜆（𝜆，T）d𝜆=𝜎T4这称之为斯蒂芬玻耳兹曼定律。式中：𝜎=5.67*10-8——斯蒂芬-玻耳兹曼常数，W/(m2*K4)。2.非黑体辐射由于物体的辐射率𝜀为特定温度下物体的辐射能量与同温度黑体辐射能量之比。因此，作为灰体和选择性辐射体的常见物体的辐射率𝜀<1，一般金属材料的辐射率不仅与温度有关，而且还与辐射体的表面状态、颜色等因素有关。3.红外测温原理由于物体的热辐射强度M=𝜀𝜎T4与温度的4次方成正比，因此，当物体表面有微小的温度变化时，红外探测器的输出信号将有较大的变化。红外探测器的输出信号与接受到的辐射强度成正比，即与温度的4次方成正比，这十分有利于测量物体表面的温度分布。红外测温广泛应用于炼钢、保安、军事和无损探伤等领域。4.红外检测仪器及设备红外检测常用设备为热像仪和红外辐射计。热像仪由摄像部分和显示部分所组成，热像仪的温度分辨率可以达到0.2oC，测温范围几百度。【实验仪器和装置】红外辐射计、红外线电炉、秒表等。【实验内容】1.红外线炉盘中央温度与辐射波长的测量2.钢板中心区域温升速率的测量【数据记录与数据处理】1.红外线炉盘中央温度与辐射波长的测量表1红外线炉盘中央温度与辐射波长的测量表时间t/min温度T波长𝜆/um时间t/min温度T波长𝜆/umoCKoCK023.5295.5510.1422240.6513.755.84257.3330.459.0724245.0518.155.79496.2369.358.1226252.6525.755.706128.7401.857.4628260.4533.555.628151.1424.257.0730263.0536.155.5910171.7444.856.7432264.1537.255.5812196.9470.056.3834258.8531.955.6414206.4479.556.2536264.6537.755.5816215.8488.956.1338265.2538.355.5718225.4498.556.0140265.4538.555.5720234.7507.855.90A.推导维恩公式黑体的普朗克定律：M𝜆(𝜆，T)=（C1/𝜆5）（1/ec2/𝜆T-1）W/m3；对波长求导得到M𝜆’(𝜆，T)=-5（C1/𝜆6）（1/ec2/𝜆T-1）+(C2*ec2/𝜆T/𝜆2T)/(ec2/𝜆T-1)2令上式等于零，取得极大值𝜆max，即得到维恩公式：𝜆max=2.898*10-3/T，B.作T—t曲线，分析炉盘中心温升与时间的关系。根据上图可得结论：在前26分钟，炉盘中心温度随着时间的推移而升高，之后继续加热，则温度升高的趋势减缓，基本保持不变。C.作T—𝜆曲线，分析温度与黑体辐射波长的关系，验证维恩位移定律。根据上图可得结论：黑体的光谱辐射波长，随着温度的升高，向短波长方向移动，即验证了维恩位移定律。2.钢板中心区域温升速率的测量表2钢板中心区域温升速率的测量时间t/min温度T辐射强度M(W/M2)时间t/min温度T辐射强度M(W/M2)oCKoCK045.2295.55432.6222178.8451.952365.618045.2295.55389.3622178.8451.952129.06298.8371.95976.7124180.1453.252153.664123.9397.051268.2526185.8458.952264.066134.8407.951413.3628186.4459.552275.928144.0417.151545.2430187.9461.052305.7810151.3424.451656.2732190.4463.552356.2012156.9430.051745.4334192.4465.552397.1314163.6436.751856.7736195.4468.552459.5116167.4440.551922.2338196.8469.952489.0418172.4445.552011.0040200.2473.352561.8620172.9446.052020.04由于物体的辐射强度M=𝜀𝜎T4，取实验温度范围内该钢板的辐射率约为0.90，计算M。做M—T曲线，分析辐射强度与温度的关系，验证斯蒂芬——玻耳兹曼定律。根据上图可得结论：辐射强度M与温度T的四次方近似成线性关系，即验证斯蒂芬——玻耳兹曼定律：M=𝜀𝜎T4。【实验总结】(1)红外测温是非接触测量。因此它可以用于温度过高或过低、高电压的区域以及高速运转的机械温度的测量，而测量者不必靠近这些危险的环境。(2)红外测温反应速度快。因为它不像通常温度计那样，要等待温度计内测温物质与被测物体达到热平衡，而只要接收到被测物体的红外线即可。反应时间一般在毫秒级至微秒级。(3)红外测温灵敏度高。根据M(T)=∫0∞M𝜆（𝜆，T）d𝜆=𝜎T4，物体辐射能量跟温度4次方成正比，所以只要温度有微