電子科學(xué)與技術(shù)系試驗(yàn)指導(dǎo)書

1、紅外物理課程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書實(shí)驗(yàn)一光通量測量1實(shí)驗(yàn)二用雙色法測量鎢絲燈的溫度4實(shí)驗(yàn)三紅外輻射源能量光譜分布測試8實(shí)驗(yàn)四黑體實(shí)驗(yàn)10實(shí)驗(yàn)五用紅外熱像儀測量物體表面發(fā)射率12實(shí)驗(yàn)六物體表面發(fā)射率對紅外熱像儀測溫精度影響分析實(shí)驗(yàn)15實(shí)驗(yàn)七紅外熱成像系統(tǒng)的MRTD 、 NETD 參數(shù)測試實(shí)驗(yàn)19實(shí)驗(yàn)八可見光成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)、分辨率等參數(shù)測試實(shí)驗(yàn)22實(shí)驗(yàn)九紅外報(bào)警系統(tǒng)的布防實(shí)驗(yàn)25實(shí)驗(yàn)十距離對紅外熱像儀測溫精度影響實(shí)驗(yàn)270實(shí)驗(yàn)一光通量測量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 掌握在光通球內(nèi)，用比較法測量鎢絲燈光通量的原理和方法；2 了解光通球的結(jié)構(gòu)；3 了解數(shù)字式照度計(jì)和數(shù)字電壓表的使用方法及注意事項(xiàng)。二、實(shí)驗(yàn)原理光通球又

2、稱積分球或球形光度計(jì)，它是一個(gè)內(nèi)部空的完整球殼，內(nèi)壁涂有白色漫反射層，球殼上開了一個(gè)窗口，放置光電接受器件，如圖1-1 所示，一光通球，其中c 是待測燈，可放在球內(nèi)任意位置，因?yàn)榍騼?nèi)涂白色漫反射層，可把它看是漫反射率為的理想中性漫反射面，球的半徑為R，燈發(fā)出的總光通量為，在球壁上任取一點(diǎn)B，在該點(diǎn)的照明度是光源C 直接照射產(chǎn)生的照度，第一次漫反射光產(chǎn)生的照度等許多部分的疊加。設(shè)光源直接照射B 點(diǎn)的照射度為E。并第一次漫反射光通量為，由于把球壁看成中性理想反射面，故均勻分布整個(gè)球內(nèi)壁。所以，第一次漫反光在B 點(diǎn)的照明為：E14R22顯然，第二次漫反射后的光通量為，它也是均勻分布整個(gè)球內(nèi)壁，故第二

3、次漫反射在B 點(diǎn)產(chǎn)生的照度為：2E24R2同理可求得第三次，第四次漫反射光在B 點(diǎn)產(chǎn)生的照度為：34E32E44 R24 R因此，在 B 點(diǎn)的總照度為以上個(gè)部分照明度之和，即為：2E E0E 1E2E3E04 R24 R 21E0(12.) E04 R 2214 R其中 E0是燈 C直接照射在B 點(diǎn)產(chǎn)生的照度， E0 的大小僅與B 點(diǎn)的位置有關(guān)， 如果在 C 與 B 之間放一個(gè)擋屏，擋去直接照射 B 點(diǎn)的光，則 E0 等于零，因而在 B 點(diǎn)的照明度為：E4R21由上式可以看出R 與是常數(shù)，因此，球壁上任意位置的照明度與燈光通量成正比，由此，可通過球壁窗口上的照度計(jì)測出燈光的照度，進(jìn)而算出光通量

4、。我們實(shí)際測量是用比較法。 用比較法測量可以消除光通球不能滿足理論光通球不能滿足理論光通球的要求所帶來的誤差。用比較法測量原理如下：如果光源為標(biāo)準(zhǔn)燈時(shí)的照度及光源為待測燈時(shí)的照明已測定，則根據(jù)照度與總光通1E1量成正比的關(guān)系可列下式:0 E0標(biāo)準(zhǔn)燈的總通量已知，則很容易算出待測燈的總通量1 它可由下式求出：E1E0 、 E1 分別為100 、 1 分別為標(biāo)準(zhǔn)燈和待測燈的總光通量，單位為流明。E0標(biāo)準(zhǔn)燈和待測燈在球壁上產(chǎn)生的漫反射照度。實(shí)際光通球的結(jié)構(gòu)：球形光度計(jì)是由光通球與照度計(jì)組成，其結(jié)構(gòu)如圖 1-2球的大小應(yīng)視被測光源的尺寸而定。燈 C 通常放在球中心，擋屏介于燈于窗口之間，距窗口為2/3

5、R。加擋屏后，燈發(fā)出的光不能直接到達(dá) AB處，同時(shí)，在球壁 ED處的漫反射光也不能直接到達(dá)窗口射向硒光電池。擋屏的尺寸應(yīng)該由光源的尺寸決定，只要能擋住去燈直接射到窗口的光就可以了。圖 1-2 光通量測試原理圖在光通球的窗口上放一塊無色雙面磨光的毛玻璃或毛面乳白玻璃，它的位置正好在球面上， 毛玻璃后面為可變光擋和中性感光片組，他們都是用來調(diào)節(jié)進(jìn)入硒光電池光通量的。用了 V濾光器后， 可以測各種色溫?zé)舻墓馔?。V濾光器后面就是硒光電池，硒光電池的兩個(gè)極聯(lián)到電流表，硒光電池應(yīng)處在線性響應(yīng)范圍內(nèi)工作。2三 實(shí)驗(yàn)儀器1、光通球（積分球） ；2、標(biāo)準(zhǔn)燈組；3、待測燈組；4、電子交直流穩(wěn)壓器；5、晶體管直流

6、穩(wěn)壓器；6、標(biāo)準(zhǔn)電阻；7、數(shù)字電壓表；8、數(shù)字照度計(jì)；四、實(shí)驗(yàn)步驟：接好電路，經(jīng)教師檢查后，再按下述步驟進(jìn)行；1、依次打開電子交直流穩(wěn)壓器，晶體管直流穩(wěn)壓器，數(shù)字電壓表電源開關(guān)；2、測量所需的電流、電壓，注意各電表量程；3、打開積分球，分別將標(biāo)準(zhǔn)燈和待測燈安在燈架上；4、順時(shí)針旋轉(zhuǎn)晶體管直流穩(wěn)壓器的輸出調(diào)節(jié)旋鈕，緩慢的調(diào)至被測燈或標(biāo)準(zhǔn)燈所需的電流，要注意觀察數(shù)字電壓表的讀數(shù)；5、每次測試時(shí)，光源要穩(wěn)定十分鐘后記錄：電流、電壓、和照度數(shù)值；6、每次測完一個(gè)燈后，小心取下燈泡，再換另一個(gè)，每個(gè)燈泡的測量都要予熱十分鐘五、實(shí)驗(yàn)要求及數(shù)據(jù)處理：要求：1、實(shí)驗(yàn)前要認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)講義2、要嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)步驟的

7、規(guī)定，認(rèn)真記錄數(shù)據(jù)；3、要以一只燈為例，寫出詳細(xì)計(jì)算過程。數(shù)據(jù)處理：1、數(shù)據(jù)記錄要求三位有效數(shù)字；2、算出待測燈的總光通量和發(fā)光效率；3、計(jì)算相對誤差。3實(shí)驗(yàn)二用雙色法測量鎢絲燈的溫度一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩W(xué)會(huì)用雙色法測色溫的基本方法并側(cè)幾個(gè)鎢絲燈的色溫。二、實(shí)驗(yàn)儀器：1、 反射式單色儀（WDS-J2 型）；2、 標(biāo)準(zhǔn)色溫?zé)簦?、 穩(wěn)壓電源；4、 硒光電池；5、 光點(diǎn)檢流計(jì)；6、 待測鎢絲燈。三、實(shí)驗(yàn)原理：當(dāng)灼熱體的溫度很高或者是灼熱體不能直接接觸時(shí)，測量它的溫度是較為困難的。為了測量灼熱體的真實(shí)溫度，我們來定義顏色溫度，并給出他和真實(shí)溫度的關(guān)系，只要給出顏色溫度的測量方法。自然會(huì)計(jì)算真實(shí)溫度。顏色溫

8、度的第一定義； “ 輻射體的相對光譜分布和絕對黑體在某溫度下時(shí)的相對光譜分布相似，以此絕對黑體溫度Tc 命名為該輻射體的顏色溫度”。這個(gè)定義對光度色度學(xué)和溫度計(jì)量學(xué)都適應(yīng)的。例如：光度基準(zhǔn)（鉑凝固點(diǎn)黑體）與比較燈的相對光譜能量分布的可見光譜范圍符合一致?？捎媚恳暭t蘭（兩色）光譜色溫計(jì)進(jìn)行計(jì)量。顏色溫度第二個(gè)定義： “發(fā)光體的顏色和黑體某溫度Tc 時(shí)的顏色相同，以黑體的溫度Tc 命名為該輻射體的顏色溫度此定義具有更少的溫度計(jì)量意味而有更多的光度色度學(xué)上的含義。為了確定輻射色溫和真實(shí)溫度之間的關(guān)系，我們采用第一個(gè)定義。而輻射體在可見光譜范圍內(nèi)存在著和標(biāo)準(zhǔn)輻射體（絕對黑體或標(biāo)準(zhǔn)色燈）有相似的光譜分布

9、曲線。根據(jù)這一情況， 如在兩種波長1 和 2 之下，兩種物體的可見光譜亮度之比是相等，那么他們的色溫可以看作是一樣的， 設(shè)物體的真實(shí)溫度為 T ，色溫度為 Tc ，按色溫度的定義對于 1 和 2 兩個(gè)波長有：L 1 TLb 1TcL 2 TLb 1 2Tc當(dāng)溫度低于3000K 時(shí)，給定物體和絕對黑體的光譜亮度表表示如下：在溫度T 以波長1 和 2 時(shí)，對給定物體是：c1C2L TT15 e 1T，114c1C2L 2T2T25e2T對于同樣的波長，而絕對黑體的光譜輻射亮度是：c15C2Lbe1Tc1T1cc1C2Lb1T25e2Tcc把L 、L、 L b1T 、 L bT 的值代入上式就可以得

10、到：1T2 Tc2 c11ln1Tcln2TcTcTc2 (2 )121由此可以看出，在決定Tc 和 T 之間的條件關(guān)系時(shí)，必須有給定的物質(zhì)關(guān)于波長1 和2 的值和相應(yīng)的T 值的數(shù)據(jù)。我們利用單色儀和硒光電池及檢流計(jì)作為測量系統(tǒng)的整體裝置組成雙色光電色溫計(jì)，并且以 2800K色溫的標(biāo)準(zhǔn)燈做為標(biāo)準(zhǔn)，全部裝置如圖2-1 所示圖 2-1 實(shí)驗(yàn)測試原理圖C 2從維恩公式出發(fā)，對黑體：E TC15e TC2對于灰體，如鎢絲燈有： E TT C15 e T對應(yīng)于待測燈色溫Tc 和標(biāo)準(zhǔn)燈色溫 TB 的雙色能量比有如下關(guān)系：EEEE取對數(shù)并整理：c111TC1T C2 ()e1 Tc2T c2 TC2 T C

11、111TS1T Sc2 ()e1 T S2 T S2TS2T S5EEln(1 1 Tc Ts1TC1TC2TC) ln(2TC)E1TS1TSE 2TS2TSC2(11)12其中：1TCln(2TC) 01 TS2TS并且令TI 2TE 2TS222I 1TE 1TS 111其中， L、 L為所測得的光電流，為單色儀光學(xué)元件單色透過率，S 為接收1 T2T器的光譜靈敏度，為單色儀出射的波長間隔。由上訴兩式可得出：11ln( Ts /Tc )TcTs11C 2 ()12式中 C21.438厘米·度。 Ts 為已知標(biāo)準(zhǔn)燈的色溫，那么測出待測色溫度Tc 和 Ts 時(shí)的雙色能量比1 和2

12、，則由上式就可以求出待測燈的色溫Tc 。四、實(shí)驗(yàn)步驟1、 按圖 2-1 接好線路 ;2、 調(diào)節(jié)電源，使標(biāo)準(zhǔn)燈電流值為16A，此標(biāo)準(zhǔn)燈的色溫為2800K;3、 測量出對應(yīng)1470m和 2650m下標(biāo)準(zhǔn)燈時(shí)硒光電流輸出的光電流L 1 T和L 2T 的值，重復(fù)三次，取平均值；4、 把標(biāo)準(zhǔn)燈換成待測燈，調(diào)節(jié)電流達(dá)到1A ，待經(jīng)過10 分鐘后，電流穩(wěn)定在此值時(shí)，測量出對應(yīng)1 和 2下待測燈對硒光電池輸出的電流L 1T和 L 2T 的值，重復(fù)三次，取其平均值。5、 利用公式計(jì)算出待測燈在給定電流下的色溫。五、實(shí)驗(yàn)要求1、 要認(rèn)真看實(shí)驗(yàn)講義，按步驟認(rèn)真做；2、 要以一只燈為例，寫出詳細(xì)計(jì)算過程；3、 要認(rèn)真

13、記錄，并把數(shù)據(jù)填入表格。6用雙色法測量鎢帶燈的色溫?cái)?shù)據(jù)記錄表1=470m 2=650m色123平 均 123溫平 均值值標(biāo)準(zhǔn)燈待 L 1測L 2燈L 3L 4L 57實(shí)驗(yàn)三紅外輻射源能量光譜分布測試一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解測量紅外輻射源能量光譜分布的意義2、掌握測量紅外輻射源能量光譜分布的方法3、理解物體的溫度與紅外輻射能量的關(guān)系二實(shí)驗(yàn)原理紅外輻射（俗稱紅外線）是波長在0.78 1000m的一段電磁波譜，是人眼看不見的光線，只有借助于儀器才能探測到并轉(zhuǎn)換成人們可感受的信息，如數(shù)字、圖像、曲線等。凡溫度在絕對零度以上的物體均能夠發(fā)出紅外輻射，其輻射的峰值波長與物體的溫度有確定的關(guān)系：bmT式中m 物體

14、輻射的峰值波長T 物體的溫度B 常數(shù)（ 2898 m·K）此為輻射度學(xué)中的維恩位移定律，意為只要物體有溫度，則一定有固定波長的輻射，自然界的物體溫度如果在-40 3000（ 233K 3273K）范圍，則根據(jù)上述公式，峰值輻射波長在0.88 12 m之間，即人們通常所說的紅外波段。紅外光譜儀器能將紅外輻射源的輻射能量按波長的分布以曲線的形式給出。我們可以清楚地看出一個(gè)紅外輻射源在某個(gè)波長的相對輻射能量，進(jìn)而可以驗(yàn)證維恩位移定律等紅外輻射定律，并可以對紅外輻射源進(jìn)行深入的研究。三實(shí)驗(yàn)儀器1、紅外光柵光譜儀及配套附件2、紅外光源及驅(qū)動(dòng)電源3、電子穩(wěn)壓器4、計(jì)算機(jī)及處理軟件5、打印機(jī)四實(shí)驗(yàn)

15、步驟首先按原理圖檢查各部分連接和擺放位置是否正確，經(jīng)教師同意后， 按下述步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：1、打開紅外輻射源的電源開關(guān)進(jìn)行預(yù)熱；2、打開計(jì)算機(jī)并進(jìn)入相關(guān)程序，選定測量參數(shù)（相對強(qiáng)度、能量等），設(shè)置掃描波長范圍、掃描間隔、幅度范圍等參數(shù)；3、在紅外輻射源經(jīng)預(yù)熱達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，開始進(jìn)行掃描，得到相應(yīng)曲線；4、存儲測試結(jié)果，打印測試曲線；5、進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。五實(shí)驗(yàn)要求及數(shù)據(jù)處理1、未經(jīng)教師允許， 不得隨意改變實(shí)驗(yàn)儀器之間的相對位置和外部設(shè)置，如各種電壓、8狹縫寬度等；2、各種輻射源一點(diǎn)要預(yù)熱充分，保持輻射穩(wěn)定；3、打印出相對強(qiáng)度曲線；4、驗(yàn)證維恩位移定律，計(jì)算紅外輻射源的溫度值。六參考題1、光譜

16、儀器上入射和出射狹縫的大小會(huì)對測試曲線有什么影響？2、紅外波段是指波長上的什么范圍？9實(shí)驗(yàn)四黑體實(shí)驗(yàn)一黑體的基本原理1、黑體輻射任何物體 , 只要其溫度再絕對零度以上, 就向周圍發(fā)射輻射, 這稱為溫度輻射. 黑體是一種完全的溫度輻射體 , 即 , 任何非黑體所發(fā)射的輻射通量都小于同溫度下的黑體發(fā)射的輻射通量; 并且，非黑體的輻射能力不僅與溫度有關(guān), 而且與表面的材料的性質(zhì)有關(guān). 而黑體的輻射能力則僅與溫度有關(guān)。黑體的輻射亮度在各個(gè)方向都相同，即黑體是一個(gè)完全的余懸輻射體.輻射能力小于黑體，但輻射的光譜分不與黑體相同的溫度體稱為灰體。2、黑體輻射定律黑體輻射的光譜分布- 普朗克輻射定律。黑體光譜

17、輻射亮度由下式給出：E TL T斯特藩波爾茲曼定律用輻射度表示：E TE E dT 4）T 為黑體的絕對溫度， 為斯特潘 波爾茲曼常數(shù)，25 k 45.670 10 815h3 c2其中， K 為波爾茲曼常數(shù)，h 為普朗克常數(shù)，c 為光速。由于黑體輻射是各向同性的，所以其輻射亮度與輻射度有關(guān)。LET于是，斯特潘波爾茲曼定律也可以用輻射亮度表示為LT 4維恩位移定律表示為光譜亮度的最大值的波長max 與他的絕對溫度T 成反比，AMAXTA 為常數(shù) ,A=2.89610 3Lmax4.1075 10 6隨溫度的升高, 絕對黑體光譜亮度的最大值的波長向短波方向移動(dòng)。二黑體的實(shí)驗(yàn)裝置黑體實(shí)驗(yàn)裝置由單色

18、儀，狹縫，接收單元，光學(xué)系統(tǒng)以及光柵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。三、實(shí)驗(yàn)步驟與內(nèi)容1、建立傳遞函數(shù)曲線（ 1）將標(biāo)準(zhǔn)光源電流調(diào)整為“溴鎢燈的色溫 ”表中色溫為2940K 時(shí)電流所在位置；10（ 2）預(yù)熱 20 分鐘后，在系統(tǒng)上記錄該條件下全波段圖譜；該光譜曲線包含了傳遞函數(shù)的影響；（ 3）點(diǎn)擊 “驗(yàn)證黑體輻射定律 ”菜單，選 “計(jì)算傳遞函數(shù) ”命令，將該光譜曲線與已知的光源能量曲線相除，即得到傳遞函數(shù)曲線，并自動(dòng)保存。以后用戶在做測量時(shí)，只要將菜單欄中右上方“傳遞函數(shù) ”點(diǎn)擊成 “傳遞函數(shù) ”。后再測未知光源輻射能量線時(shí)，此時(shí)測量的結(jié)果已扣除了儀器傳遞的影響。2、修正為黑體任意發(fā)光體的光譜能量輻射本領(lǐng)與黑體輻

19、射都有一系數(shù)關(guān)系軟件內(nèi)提供了鎢的發(fā)射系數(shù)，并能通過點(diǎn)擊修正黑體的菜單進(jìn)行修正，此時(shí)，測量溴鎢燈的輻射能量曲線將自動(dòng)修正為同溫度下黑體的曲線。3、驗(yàn)證黑體輻射定律（ 1）驗(yàn)證普朗克輻射定律（ 2）驗(yàn)證斯特藩波爾茲曼定律（ 3）驗(yàn)證維恩位移定律4、存儲測試結(jié)果，打印測試曲線；5、進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。五實(shí)驗(yàn)要求及數(shù)據(jù)處理1、未經(jīng)教師允許，不得隨意改變實(shí)驗(yàn)儀器之間的相對位置和外部設(shè)置，如各種電壓、狹縫寬度等；2、黑體一點(diǎn)要預(yù)熱充分，保持輻射穩(wěn)定；3、驗(yàn)證維恩位移定律，計(jì)算紅外輻射源的溫度值；4、驗(yàn)證斯特藩波爾茲曼定律，計(jì)算紅外輻射源的輻射出射度值；六參考題1、光譜儀器上入射和出射狹縫的大小會(huì)對

20、測試曲線有什么影響？2、紅外波段是指波長上的什么范圍？11實(shí)驗(yàn)五用紅外熱像儀測量物體表面發(fā)射率一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙?、掌握物體表面發(fā)射率的基本概念及紅外熱成像的基本理論2、掌握正確使用紅外熱像儀測量物體表面發(fā)射率的基本方法3、學(xué)習(xí)利用紅外熱圖片處理軟件對實(shí)驗(yàn)圖片進(jìn)行處理二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備TH9100 紅外熱像儀、智能溫控加熱爐、黑體源、激光測距機(jī)、計(jì)算機(jī)及其處理軟件等。三、實(shí)驗(yàn)原理1、發(fā)射率在正確使用紅外熱像儀過程中，需要準(zhǔn)確設(shè)定的多個(gè)物理參數(shù)，其中最重要的是發(fā)射率。簡言之，發(fā)射率就是同等條件下一個(gè)物體的輻射能量相對于一個(gè)絕對黑體的輻射能量的比值。一般來說，物體材料和表面狀況所表現(xiàn)出來的發(fā)射率大約在0

21、.1到 0.95之間。一個(gè)高度磨光的表面，發(fā)射率會(huì)降到低于 0.1 ，然而被氧化或有涂層的表面卻能有更高的發(fā)射率。盡管油層在可見光區(qū)域內(nèi)有顏色，在紅外區(qū)它的發(fā)射率卻可以超過0.9 。人類皮膚的發(fā)射率接近于1。非氧化金屬表現(xiàn)出了一種極限情況，那就是幾乎不透明性和全反射，它的發(fā)射率并不隨著波長的變化而有很大變化。最后得出結(jié)論，金屬的發(fā)射率很低僅隨溫度升高而升高。而對非金屬，發(fā)射率往往很高，并且隨著溫度的升高而降低。2、紅外熱像儀的組成和工作原理（ 1）紅外熱像儀成像的物理原理紅外熱像儀是一種成像測溫裝置，是利用目標(biāo)與周圍環(huán)境之間由于溫度與發(fā)射率的差異所產(chǎn)生的熱對比度不同，而把紅外輻射能量密度分布圖

22、顯示出來，成為 “熱像 ”。由于人的視覺對紅外光不敏感，所以熱像儀必須具有把紅外光轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽獾墓δ?，將紅外圖像變?yōu)榭梢妶D像。在紅外熱像儀中，紅外圖像轉(zhuǎn)換成可見光圖像分兩步進(jìn)行。第一步是利用對紅外輻射敏感的紅外探測器把紅外輻射變?yōu)殡娦盘枺撔盘柕拇笮】梢苑从吵黾t外輻射的強(qiáng)弱；第二步是通過電視顯像系統(tǒng)將反映目標(biāo)紅外輻射分布的電子視頻信號在電視熒光屏上顯示出來，實(shí)現(xiàn)從電到光的轉(zhuǎn)換，最后得到反映目標(biāo)映像的可見圖像。（ 2）紅外熱像儀的組成及各部分功能在熱像儀中具體實(shí)現(xiàn)由紅外光變電信號，由電信號變可見光的轉(zhuǎn)換功能是由熱像儀各個(gè)部件完成的。非掃描型熱像儀由光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測器、信號處理系統(tǒng)和顯示記錄裝置

23、等幾部分組成。非掃描型熱像儀即焦平面熱像儀革除了繁雜的光機(jī)掃描裝置，它的紅外探測器呈二維平面形狀，自身具有電子自掃描功能，被測目標(biāo)的紅外輻射只需通過簡捷的物鏡就和照相機(jī)的原理相似地將目標(biāo)聚焦在底片上曝光成像，被測目標(biāo)聚焦成像在紅外探測器的陣列平面上，“焦平面陣列” （ Focal Place Array ），故有時(shí)也稱它是“凝視成像”。其原理方框圖如下圖5-1 所示。此類型熱像儀紅外攝像頭結(jié)構(gòu)簡單，無光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)， 其內(nèi)裝硅化鉑紅外電荷耦合器件CCD，3 5m成像鏡頭，紅外CCD 驅(qū)動(dòng)電路板。其重量僅在2kg 左右，攜帶使用十分方便。硅化鉑紅外CCD 輸出視頻信號，經(jīng)鉗位放大等預(yù)處理后，由A/

24、D 轉(zhuǎn)換變成8bit 或 12bit 的數(shù)字圖像信號，然后由固定圖形噪聲消除電路和響應(yīng)率非均勻性校正后，存入幀圖像存儲器中。圖像信號混合了標(biāo)尺和字符等數(shù)據(jù)后，經(jīng)過偽彩色編碼和 D/A 轉(zhuǎn)換后，在顯示器上顯示。顯示模式具有黑白、偽彩色和等溫區(qū)等多種方式，并能定時(shí)地讀出圖像所對應(yīng)的物體表面溫度。12圖 5-1 制冷型焦平面熱像儀的原理框圖3、紅外輻射測溫的基本理論及發(fā)射率測量的基本原理（ 1）紅外輻射測溫的基本理論輻射出射度指輻射通量的表面密度，即輻射通量與輻射表面面積之比。依普朗克定律，黑體的光譜輻射出射度為：（ 1）式中， c13.742 ×10-16W·m2，c21.43

25、8 8 ×10-2W·K 。對表面溫度為 T，光譜范圍為 1,2（ 012）的物體的光譜輻射出射度為：（ 2）當(dāng) 1=0，2 時(shí)，依廣義定積分原理得出黑體的輻射出射度，即斯蒂芬玻爾茲曼定律為：（ 3）5.67×10-8 W/ (m2·K 4)式 (3) 中的定積分不易求得，但可采用2種方法計(jì)算： 利用計(jì)算機(jī)直接近似積分，可采用Matlab 工具進(jìn)行計(jì)算； 采用查表方法求取近似積分，方法如下：設(shè)波長的無量綱坐標(biāo)x /M，M表示熱力學(xué)溫度為 T 時(shí)光譜輻射出射度最大的峰值波長（可由維恩位移定律求得），可用列表函數(shù)z 0- 0-計(jì)(x )W/W算絕對黑體的輻射

26、出射度。則：（ 4）（ 2）發(fā)射率測量的基本原理圖 5-2路徑上的不同輻射13紅外探測器接收的輻射含目標(biāo)輻射和對周圍環(huán)境輻射的反射。這些輻射經(jīng)大氣衰減和輻射，到達(dá)探測器，如圖 5-2。探測器接受的總輻射能 W tot 為：（ 5）式 (5)中： 是物體表面發(fā)射率； 為大氣透射率 ， (1-)為探測距離內(nèi)的平均大氣發(fā)射率。目標(biāo)輻射 Wobj，周圍環(huán)境的反射輻射(1-) Wamb，大氣輻射 (1-)Watm。由式 (5) 整理得：（ 6）在遠(yuǎn)紅外大氣窗口，室內(nèi)大氣透射率接近于1，即 1，因此式(6) 經(jīng)整理得：（ 7）其中， W amb、W obj可利用傳統(tǒng)測溫裝置測量得到，探測器接受的總輻射能

27、W tot可利用紅外熱像儀間接得到。四、實(shí)驗(yàn)步驟與內(nèi)容（ 1）把智能溫控加熱爐，黑體源，等放到支架車上，以便調(diào)整位置。（ 2）把智能溫控加熱爐與黑體源連接起來；用激光測距機(jī)測量黑體與TH9100 紅外熱像儀的距離，并使黑體的腔口與的鏡頭對準(zhǔn)。（ 3）給智能溫控加熱爐和TH9100 紅外熱像儀接通電源，設(shè)定智能溫控加熱爐的溫度為Tobj。（ 4）對 TH9100 紅外熱像儀輸入發(fā)射率及其相關(guān)參數(shù)值，進(jìn)行測量，記錄紅外熱像儀所測溫度值Ttot。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理測量時(shí)環(huán)境溫度 Tamb 為，距離為m ，大氣透過率為1，大氣濕度為 50%。根據(jù)式（ 3）計(jì)算環(huán)境溫度為黑體溫度為、紅外熱像儀顯示溫

28、度為Ttot時(shí)，相對應(yīng)的、W objWtotTamb，TobjTobjWamb和值，然后通過式（7）計(jì)算出相應(yīng)值，的曲線圖，分析產(chǎn)生誤差填入下表，并繪出 的原因。黑體在不同溫度時(shí)的測量和計(jì)算數(shù)據(jù)TobjTtotWobj（）（）（ W/ m2）100908070605040Wtot（W/ m2 ）Wamb（ W/ m2）14實(shí)驗(yàn)六物體表面發(fā)射率對紅外熱像儀測溫精度影響分析實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙?、掌握紅外熱成像的基本理論；2、掌握物體發(fā)射率的基本概念及其對測溫精度的影響；3、掌握正確使用紅外熱像儀測量物體溫度的基本方法并對測量結(jié)果進(jìn)行精度分析；4、學(xué)習(xí)利用紅外熱圖片處理軟件對實(shí)驗(yàn)圖片進(jìn)行處理。二

29、、實(shí)驗(yàn)設(shè)備TH9100 紅外熱像儀、智能溫控加熱爐、黑體源、計(jì)算機(jī)等。三、實(shí)驗(yàn)原理1、紅外熱像儀輻射測溫方程及誤差計(jì)算（ 1）熱像儀輻射測溫方程根據(jù)紅外輻射理論和紅外熱像儀的測溫原理可知，紅外熱像儀是靠接收被測表面發(fā)射的輻射來確定其溫度和熱圖像的。實(shí)際測量時(shí)，當(dāng)測試物體為黑體目標(biāo)，且該目標(biāo)到熱像儀鏡頭距離為d 時(shí)，熱像儀鏡頭處的總輻亮度為：LLt,T0L path,Tu da, d L,T01a,dL,Tad（ 1）式中：,d 為大氣光譜透過率；T 為氣溫。等式右邊第一項(xiàng)是接收到的目標(biāo)光譜輻亮度；第二項(xiàng)是大氣路徑的輻亮度，其中方括號內(nèi)是大氣光譜發(fā)射率。對實(shí)際灰體輻射，情況稍微復(fù)雜些，因?yàn)槟繕?biāo)會(huì)

30、將環(huán)境輻射反射到光路中而被探測系統(tǒng)接收，此時(shí)熱像儀鏡頭處的輻亮度為：Lt L ,T0l L , Tua, d1 a,dL ,Tad（ 2）式中： Tu 為環(huán)境溫度； T0為被測物體表面溫度；t 為被測物體表面發(fā)射率；l 為表面反射率。則作用于熱像儀的輻照度為：EA0 d 2t L ,T0l L , Tua, d1,d L ,Tada（ 3）式中： A0 為熱像儀最小空間張角所對應(yīng)的目標(biāo)的可視面積；d 為該目標(biāo)到鏡頭之間的距離。通常一定條件下 A0d2 為常值。熱像儀通常工作在25m 或 813m 兩個(gè)波段，它只允許這兩個(gè)波段的能量進(jìn)入熱像儀的鏡頭，達(dá)到探測器。探測器在這一波段上積分入射的輻射能

31、，并把它轉(zhuǎn)化為一個(gè)與能量成正比的電信號。入射到探測器上的某波長的輻射功率為P EAR0（ 4）15式中： AR 為熱像儀透鏡的面積；0為光學(xué)系統(tǒng)的光譜透射比。與輻射功率相應(yīng)的信號電壓為：VsRPR EAR0A0ARd 2t L ,T0l L,Tu a, d1, dL, Tada（ 5）式中： R為探測器的光譜響應(yīng)，它表示了紅外探測器把紅外輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕哪芰?。由于熱像儀是工作在某一個(gè)很窄的波段，25m 或 813m 之間，通?？梢哉J(rèn)為與 無關(guān)，則（ 5）式可以寫成：VsA0 AR d 2t L T0l L Tua1a L Ta R d（ 6）令 K= A0 AR d 2 ，取R L T d

32、f T則（ 6）式變?yōu)椋篤sK af T0f Tu1a f Ta（ 7）對一些非金屬表面，如果滿足灰體近似，則；對于大氣，如果認(rèn)為1，則VsK af T0(1 ) f Tu1a f Ta（ 8）（ 7）、（ 8）式就是熱像儀輻射測溫的通用基本公式。令Vs / Kf Tr則（ 7）式變?yōu)椋篺Tra f T0(1) f Tu1a f Ta（ 9）式中： Tr表示熱像儀指示的輻射溫度。當(dāng)被測表面為黑體，大氣透射率為=1時(shí)， f Trf T0 ，熱像儀指示的輻射溫度就等于物體的真實(shí)溫度。當(dāng)1時(shí)，熱像儀指示的輻射溫度就不等于物體的真實(shí)溫度。上面(9)式就是熱像儀測溫計(jì)算常用的基本公式。由普朗克輻射定律可

33、知：C1 5exp C 21f (T )R L T dR1 dT（ 10）當(dāng)不考慮 R 隨波長變化時(shí)， 對 (10) 式在 25m 或 813m 積分， 可分別得到 f(T) 隨溫度的變化關(guān)系，近似滿足：f TCT n（ 11）其中：在 25m 波段， C=7.276810 23 ， n=9.2554 ；在 813m 波段， C=1.967510 8 ， n=3.9889 。將（ 11）代入 (9)式，得Trnnnna T01Tu1aTa（ 12）被測表面真實(shí)溫度的計(jì)算公式為：11 1 Tr n11 Ta nTu nnT01aa（ 13）當(dāng)被測表面滿足灰體近似時(shí)，則（ 13）式變?yōu)椋?611

34、1Tr n11 Ta n1Tu nnT0aa（ 14）這就是計(jì)算灰體表面真實(shí)溫度的計(jì)算公式。當(dāng)近距離測溫時(shí)，=1，則（ 14）式變?yōu)門01 Tr1Tu1nnn（ 15）當(dāng)被測物體為黑體且被測表面溫度較高時(shí)，近似等于1，則（ 15）式變?yōu)椋篢rT0n（ 16）當(dāng)已知被測表面的發(fā)射率時(shí)，用（15）、（16）式就可由測出的近距離的輻射溫度算出被測表面的真實(shí)溫度。（ 2）熱像儀測量誤差的計(jì)算公式將（ 14）式微分，得到一般情況下灰體目標(biāo)表面溫度誤差計(jì)算公式：ndTrTun1Tn1 TrdTudT11dT0 1T0TrT0TuT0TT01Tun1nTnd1Tud1T0nT0T0n（ 17）可見，利用熱像

35、儀進(jìn)行測溫時(shí)，目標(biāo)真實(shí)溫度的誤差將受到， Tr ， T0 ， Tu ， T 的測量誤差的影響，通過（17）式可以計(jì)算出溫度測量誤差的大小。當(dāng)測物體溫度 T0 較高時(shí)， Tu / T0 及 T / T0 很小，可以忽略，并結(jié)合（16）式，則（ 17）式簡化為：dT01 Trn1 dd adTr)T0a T0Tr(na（ 18）這時(shí)，目標(biāo)表面真實(shí)溫度的計(jì)算誤差將受到， Tr的影響。當(dāng)被測物體溫度T0 和環(huán)境溫度 Tu 相差不多時(shí)，即 Tu / T0 1， T / T0 1 時(shí)，則（ 17）式變?yōu)椋?dT01Trn1 d a1 dTu1a d adTr1T0T0TrnaTuaa（ 19）此時(shí)，目標(biāo)表

36、面真實(shí)溫度的計(jì)算誤差將受到， Tr ， T0 ， Tu 的影響。并且從（17）、（18）、（ 19）式可知， n 值取值不同，誤差大小也不一樣。n 值的取值和熱像儀的工作波段有關(guān)。由于紅外輻射的特點(diǎn)是溫度高的輻射波長短， 如果被檢測的設(shè)備溫度在300500K 范圍時(shí)，它所對應(yīng)的峰值波長在5.89.65 m 之間，則此時(shí)應(yīng)選用813m 工作波段的紅外熱像儀更為適宜；當(dāng)被檢測的物體溫度多為800K 或甚至更高溫度時(shí)，應(yīng)選擇35m工作波段的熱像儀最佳。工作波段的適當(dāng)選取會(huì)使熱像儀接收更多的目標(biāo)輻射的能量，即使在被測設(shè)備與背景的溫差較小的情況下，也能獲得盡可能高的輻射對比度，使圖像的分辨率和測溫精度更

37、高達(dá)到相對理想的情況。另外，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)或近距離測溫時(shí)，通?？珊雎缘挠绊?，即認(rèn)為大氣透過率=1。17（ 17）式可以簡化為：dT0ndTr1Tun1Tun1 TrdTudT0T0Tr1T0Tun1T0（ 20）可見，對于灰體目標(biāo)，近距離測溫時(shí)，真實(shí)溫度的測量誤差由， Tr ， Tu 的測量誤差引起。在近距離情況下，如果被測物體表面溫度T0 較高時(shí)，（ 17）式變?yōu)椋簄dT 01TrdT r1 dT0T0Trn（ 21）將式（ 16）代入式（ 21）可得：dT0dTr1 dT0Trn四、實(shí)驗(yàn)步驟與內(nèi)容（22）（ 1）把智能溫控加熱爐，黑體源，等放到支架車上，以便調(diào)整位置。（ 2）把智能溫控加熱爐與黑體源連接起來；用激光測距機(jī)測量黑體與TH9100 紅外熱像儀的距離，并使黑體的腔口與的鏡頭對準(zhǔn)。（ 3）給智能溫控加熱