红外辐射测温理论第01章PPT文档格式.ppt

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,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：

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：

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0.140m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,Q0入射能量Q反射能量Q吸收能量Q透过能量,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。

吸收率，反射率，透过率,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。

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：

W/（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。

C1第一辐射常数，,C2第二辐射常数，,波长，mT绝对温度，KK玻耳兹曼常数，1.38066210-23J/Kh普朗克常数，6.62617610-34J.sc电磁波在真空中的传播速度，3108m/s,式中，,20300范围内黑体单色辐通量,波长,单色辐射功率,300,280,250,220,200,180,150,120,100,80,50,20,2.2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。

普朗克公式,与普朗克公式相比，当“T”较小时，则有,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:

（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：

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。

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/（srm）,Ip与辐射面法线成角的p方向上的定向辐射强度。

dQpdA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。

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:

IpImInI,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。

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，,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rsind，,df=r2sindd,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。

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：

黑体：

灰体：

实际物体：

其随波长而变化。

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T1T2：

善于发射的物体也一定善于吸收。

同理，基尔霍定律也适用于单色辐射，即:

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。

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，h/n在0.951.05之间，其平均值为0.98，对这种材料，在角不超过65或70时，与n仍然相等。

对于导电体，h/n在1.051.33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%，当角超过45时，与n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3m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10m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,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,W/m2,物体表面能量收支差额q：

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：

根据基尔霍夫定律，上式可写为：

4.2封闭空间内两物体间的辐射换热,模型：

灰体：

表面积、温度和发射率A1，T1，1平或凸表面灰体：

表面积、温度和发射率A2，T2，2包围,表面的有效辐射A1J1可全部到达表面上；

表面的有效辐射A2J2只有一部分投射到表面上，,设其所占的百分数为F21（称为对的角系数），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：

（a）,根据有效辐射公式，可以分别写出表面、的有效辐射能量：

式中Q1和Q2分别表示表面和损失的能量，,换热只在两个面之间进行，在稳定的情况下，有:

代入（a）中，,整理可得:

（适用于任何温度）,为确定角系数F21，设T1=T2，则此时有Q1-2=0，可以求出：

代入上式可得:

（1）当A2A1时，即A1/A20，则,用于计算小物体在大包壳内的能量损失，如：

热电偶测量管道内的温度。

（2）当A2A1时，则,用于计算两个平行表面间的辐射换热量。

5.气体辐射和吸收,5.1气体辐射的特点,作为各种燃烧产物主要成分的三原子气体二氧化碳和水蒸汽，具有较强烈的吸收与辐射能力。

与固体、液体的辐射相比，气体辐射具有下面两个显著特点：

（1）气体辐射对波长有选择性,

（2）气体的辐射与吸收是在整个容积中进行,气体不象一般固体那样具有连续的辐射光谱，而只是在某些波段范围内才具有辐射与吸收能力，这些波段称为光带。

投到气体界面上的辐射能可以传播到气体内的一切地方。

气体的辐射及吸收能力与气体所处容积的形状及容积尺寸有关。

5.2气体的吸收定律,布尔定律：

式中，K气体的单色吸收系数，它与气体的种类、状态（温度、压力）等有关。

一束具有强度为Ix的单色辐射穿过厚度为dx的气体层时，所减弱的单色辐射强度dIx与微元气体层厚度dx和单色辐射强度Ix乘积成正比。

对于温度和压力都均匀的气体，对上式积分，,单色辐射强度在吸收性气体中传播是按指数规律衰减;

传播的气体层越厚，即l越大，辐射强度被衰减的越大;

若l大到一定值时，没有能量穿过，则光线的辐射能全部被吸收，相当于黑体。

式中，,在x=0处的单色辐射强度；

射线穿过厚度l时单色辐射强度。

5.3红外辐射在大气中的传输,衰减因素:

0.20.32m紫外光谱范围，光吸收与臭氧的分解作用有联系;

在紫外和可见光谱区域中，由氮分子和氧分子所引起的瑞利（Rayleigh）散射是必须要考虑的;

粒子散射或米（Mie）氏散射。

大气中某些元素原子的共振吸收;

分子的带吸收是红外辐射衰减的重要原因。

（1）大气窗口,大气中的主要吸收气体由水蒸气、二氧化碳、和臭氧等。

水蒸气水蒸气在大气中，尤其在低层大气中的含量较高，是对红外辐射传输影响较大的一种大气成分。

二氧化碳随着高度的增加，二氧化碳对红外辐射的吸收虽然减少，但不如水蒸气吸收减少得那么显著。

在高空，水蒸气的吸收退居次要地位，二氧化碳的吸收变得更重要了。

臭氧臭氧在大气中的形成和分解过程，决定了臭氧的浓度分布以及臭氧层的温度。

大气窗口：

1.41.85、22.5、3.34、8-14m,避开CO2和H2O蒸汽对能量的吸收,辐射在大气中传输时，除因分子的选择性吸收导致辐射能衰减外，辐射还会在大气中遇到气体分子密度的起伏及微小微粒，使辐射改变方向，从而使传播方向的辐射能减弱，这就是散射。

一般说来，散射比分子吸收弱，随着波长增加散射衰减所占的地位逐渐减少。

但是在吸收很小的大气窗口波段，相对来说散射就是使辐射衰减的主要原因。

（2）大气的散射衰减,6.辐射换热角系数,6.1角系数的基本概念,模型：

辐