部分辐射温度及辐射源.ppt
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1、辐射温度及辐射源,金伟其 王霞北京理工大学 光电学院,上节课的内容,热辐射温度高于绝对零度(-273.15)的一切物体都向外辐射能量,这些辐射称为热辐射黑体完全吸收入射在它上面的辐射能的理想物体,称为黑体(或绝对黑体)。-用温度来反映热辐射的大小-除了温度,黑体的辐射能量还与波长相关。热辐射的定律-基尔霍夫定律-普朗克黑体辐射定律,Gustav Robert Kirchhoff(18241887),Max Planck(18581947),Wilhelm Wien(18641928),Josef Stefan(18351893),Ludwig Boltzmann(18441906),今天的内容
2、,辐射体的温度 P39辐射源 P44,辐射体的温度 P39,温度和波长是描述黑体热辐射能量的重要参数,黑体的=1对于非黑体的辐射体,其发射的热辐射能量或辐射特性也可以用温度和波长来描述非黑体分为灰体和选择体,二者发射的辐射能都比黑体的小,即辐射发射率1,而且:-灰体的=小于1的常数,与波长无关-选择体的随波长变化,辐射发射率,辐射出射度M,3-黑体;4-灰体;5-选择体,4,5,一般地,各种发射辐射能的物体表面在不同的温度下可能具有不同的光谱辐射特性,其发射的辐射能比黑体发射的辐射能小,且发射率是波长、温度的函数。在辐射度学和光度学及其应用中,常需要类似于黑体那样,用温度描述光源、辐射体等的某
3、些辐射特性。常用的描述辐射体的温度名称有:-分布温度-色温(相关色温)-辐亮度温度(亮温)-辐射温度,这些温度不一定是辐射体的真实温度,2.3.1 分布温度,顾名思义,分布温度与辐射体(或光源)的辐射能量分布曲线(或光谱能量分布曲线)有关系。辐射分布曲线:纵坐标-辐射能量;横坐标-波长光源分布温度:在一定谱段范围内光源光谱辐亮度曲线和黑体的光谱辐亮度曲 线成比例或近似成比例时 的黑体温度。,右图是水在300K时的光谱辐射特性。可以看出,此温度时水具有与黑体近似的光谱能量分布特性,=0.98,所以,,在这段波长范围内,水的分布温度是300K,与黑体光谱能量分布近似的发射体都可使用分布温度的概念。
4、例如:白炽灯在可见谱段内的光谱辐射特性和黑体的十分近似如果已测出光源的光谱能量分布曲线M(),可用下式计算出光源的分布温度,调整常数a和温度Tb使积分值最小,即M()与M0(,Tb)最接近,则黑体的温度就是具有光谱能量分布为M()光源的分布温度。,a是一比例常数,M0(,Tb)是黑体在温度Tb的光谱辐射出射度;1,2是波长范围。在光度学上,1,2是可见谱段两端的波长值0.38m,0.76m,并非所有的光源都可求其分布温度,例如线状或带状的不连续光谱光源,其光谱辐射特性与黑体相差很大,求出的分布温度已没有实际意义。故一般仅限于光源光谱能量分布和黑体的相差不大于5的情况。灰体的分布温度就是其真实温
5、度对于发射率是波长函数的发射体(选择体),分布温度和其真实温度有所差别。,例如白炽灯,由于钨的发射率在短波部分比在长波部分高,即随波长的增大而下降,本来应为b1的峰值波长变为了b,由维恩位移定律,波少短的温度高,因此求出的分布温度将大于其真实温度。,b1,b,色温(Color temperatures),色温是颜色温度的简称。当发射体和某温度的黑体有相同的颜色时,黑体温度称为发射体的色温。即色温是人眼主观色度感觉上把光源作为一定温度的黑体来描述。色温的概念不仅限于人眼色觉上的一致,可扩展到任意波长。,Higher color temperatures(5000 K or more)are co
6、ol(greenblue)colorsLower color temperatures(27003000 K)warm(yellowred)colors.,根据色度学,颜色具有同色异谱的性质,即相同的颜色可由具有不同的光谱能量分布特性的光构成。因此,色温不能象分布温度那样近似说明光源的光谱能量分布特性,但对于具有不连续光谱的发射体或具有连续光谱但其光谱能量分布特性与黑体相差甚大的发射体,可用色温来描述。任意光源的颜色只能说与某一温度黑体的颜色相近,不可能完全相同。相关色温就是发射体和某温度的黑体有最相近的颜色时黑体的温度。,MRD(Micro Reciprocal Degrees),国际照明委
7、员会1960-UCS均匀色度图,由不同黑体温度对应的色坐标点所连成的曲线普朗克轨迹。只要发射体的色坐标落在普朗克轨迹上,则这一点对应的黑体温度就是发射体的色温。与普朗克轨迹正交的一组直线族称为等相关色温线。线上标出的数值是麦尔德(Mired)值,简写成MRD。,图中u-v坐标系中的一个点(u,v)对应一种颜色。坐标相距远的颜色,其间的色差异越大。,MRD和T的关系为,眼睛的色感差异和MRD的刻度的间隔距离基本一致,即MRD的差值能够反映人眼主观感差异的大小。,所谓“和黑体有相近色”并不严格,相近可表示很接近,也可以是相差甚远但却能找到一个与某温度黑体的色最近似的相关色温值,因此上图中直线族的长
8、度是有限度的,约与15麦克亚当(MacAdam)阈值单位(表示人眼恰能分辨色差异阈值的单位)相当;“色差异多大就不能用相关色温表示”也不完全准确,等相关色温线提供了衡量待测色和黑体色之间近似差异程度的可能,任意发射体的色坐标离普朗克轨迹越远,用黑体色来描述发射体色的可能性就越小。当光源的光谱分布和黑体相近时,光源的色温就与其分布温度一致。在可见光谱范围内,大多数金属/非金属的发射率随波长增加而下降/增长,其色温比真实温度稍高/低。,2.3.3 辐亮度温度,实际发射体在某一波长(窄谱段范围内)的光谱辐亮度和黑体在某一温度同一波长下的光谱辐亮度相等时,黑体温度称为发射体的辐亮度温度。如果波长在可见
9、光谱范围内用人眼(或具有人眼光谱光视效率响应的探测器)来判断其间亮度相等时,则称为亮度温度(简称亮温)。,在波长处,温度为Tb的黑体辐亮度L0(,Tb)与温度为T的辐射物体辐亮度L(,T)相等,则Tb就是辐射物体的辐亮度温度。,若c2/T1,用维恩近似公式,有,若己知辐射体在选定波长的发射率,则由测得的辐亮度温度Tb可求出辐射体的真实温度T 辐射测温基本公式 由于待测辐射体的温度是客观的,若取不同的测量波长值,则辐亮度温度值可能随着改变。因此,工业光学高温计常用中心波长为0.65m的一个窄谱段来测温。,(1)测温灵敏度,物理意义:c2/T表示辐射体单位相对温度变化引起相对辐亮度变化的比例,表征
10、了辐射测温的灵敏度。(2)真实温度与辐亮度温度 由于辐射体的发射率总小于1,故T Tb,即辐射体的实际温度高于辐亮度温度。对具有确定工作波长的测温仪,可通过预先标定的温度修正表,对测得的辐亮度温度和辐射体的发射率进行查表,得到实际温度的修正值。,(3)环境辐射的影响 在测量中,由于(,T)1,环境温度辐射也作为一个辐射源在待测物体表面反射而进入测量系统,因此环境温度的影响必须考虑。假定辐射体为朗伯源时,则 当环境温度Ta=T时,Ta=T=Tb,即测得辐亮度温度就是辐射体的真实温度,与其发射率无关;反之,当TaT时,环境温度对T的测量产生影响。越小,环境的影响就越大。,2.3.4 辐射温度,辐射
11、温度是在整个光辐射的谱段范围内的辐亮度与某温度黑体辐亮度相等时黑体的温度,即,解之得 式中,(T)是材料的平均发射率。与辐亮度温度相同,因为(T)总小于1,故T Tb。(T)越接近1,T和Tb在数值上越接近。,今天的内容,辐射体的温度 P39辐射源 P44,2.4 辐射源 P44,2.4.1 人工标准黑体辐射源2.4.2 自然辐射源 2.4.3 人工辐射源 2.4.4 标准照明体和标准光源 2.4.5 色温变换及光谱能量分布特性的改变,2.4.1 人工标准黑体辐射源,自然界中并不存在能够在任何温度下全部吸收所有波长辐射的绝对黑体,但用人工方法可制成尽可能接近绝对黑体的辐射源,也称为黑体模型器(
12、Black-body simulator)。黑体按工作温度大致分为三类:高温黑体(温度高于1000K)中温黑体(5001000K)低温黑体(10500K)腔型黑体辐射源腔型黑体辐射源的辐射发射率非常接近1。-,典型的腔型黑体辐射源结构:,芯子材料:1400K以上的黑体腔,选用石墨或陶瓷;1400K以下选用铬镍不锈钢;低于600K选用铜。加热绕组常用镍铬丝线圈铂电阻温度计插入腔体测量腔体温度,另一个温度计插入芯子并接温度控制器,来控制芯子的温度。温度控制的稳定性决定了黑体的精度。,主要包括:黑体芯子、加热绕组、测量腔体温度的温度计、测量芯子温度的温度计、温度控制器,典型腔式结构断面示意图,锥形腔
13、,其中,0和S分别为腔内壁的材料发射率和面积(包括开孔面积);S为开孔面积;为黑体开孔面积所对应腔底的立体角。,柱形腔,球形腔,倒转锥形腔,空腔的有效发射率为,表征黑体性能参数的主要指标,1)发射率2)黑体辐射面的温度均匀性3)辐射孔面积4)温度范围5)温度控制精度,面型黑体源extended source plate type black body,热成像系统的校准和红外辐射计量需要采用大面积的面型黑体辐射源。面型黑体源主要用于均匀性和系统响应等的测量或标定常采用面型差分黑体源,(Differential Blackbody)作为热成像系统信号响应和性能测量的辐射源。,面型差分黑体源,黑体源
14、采用高导热性的材料制作面型黑体,并在其表面涂高辐射率的涂料,采用半导体帕尔帖效应实现黑体温度的控制;靶标采用高导热性的金属制作,上面掏出靶标形状;,靶标,靶标支撑架,黑体源,靶标温度传感器,靶标处于环境温度中,通过靶标温度器测量靶标温度;根据需要的温差设置黑体温度.,靶标,面型温差黑体源,测量靶标可以有多种形状或热对比度等参量实际应用中常将靶标安置在靶标轮上,实现多种靶标的快速调整或选择。,离轴抛物面,黑体源及靶标轮,折反镜,红外平行光管,在黑体源的实际应用中,往往需要通过红外平行光管将黑体目标(即靶标形状的黑体辐射)投射到无穷远。红外平行光管一般采用离轴抛物面反射镜。由于靶标与环境温度一致,
15、所以环境温度的波动将影响到测试结果,只适用于实验室等环境温度波动不大的环境。,差分黑体源与红外平行光管,双黑体源与红外平行光管,2.4.2 自然辐射源,在自然界中,太阳、月球、地面、行星、恒星、云层和大气都是热辐射的自然辐射源。太阳、地球、行星是宇宙空间的点源,可用于宇宙飞船的定向。太阳和地球的热辐射可用来确定人造地球卫星表面的受热温度。在某些情况下,自然辐射源会干扰红外仪器的工作,为了消除这些干扰,需要知道这些干扰辐射的强度和光谱。,太阳辐射,太阳是自然界中最强的红外辐射源。大气层外太阳辐射的光谱分布大致与5900K绝对黑体的相似,太阳辐射通过大气时,经过吸收和散射照射至地面的辐射大多集中在
16、0.33.0m,大部分在0.380.76m的可见光波段。照射至地球表面的太阳辐射功率、光谱分布与太阳高度、,大气状态的关系很大。,太阳对地球表面的照度,地球,工作波段。地球水面辐射取决于温度和表面状态。无波浪时的水面,反射良好,辐射很小;只有当出现波浪时,海面才成为良好的辐射体。,地球是自然界中仅次于太阳的热辐射源。在白天,地球表面的热辐射主要由二部分构成:-反射和散射太阳辐射峰值波长0.5 m;-地球自身的热辐射峰值波长10 m。在夜晚,观察不到太阳的反射辐射。地球辐射主要处于波长814m大气窗口,该波段大气吸收很小,成为热成像系统的主要,月球,月球的辐射近似于400K的绝对黑体,峰值波长7
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