WGH-10型-黑体实验装置-说明书

1、WGH-10型黑体说明书概述WGH-10型黑体实验装置专门用于进行黑体辐射能量的测量和任意发射光源的辐射能量的测量。可以记录出发光源的辐射能量曲线。在实验时，通过改变光源的温度，分别进行扫描，可以从记录的光谱辐射曲线直接看到维恩位移定律的现象，并能够对普朗克定律、斯忒藩-波尔兹曼定律进行较精确的验证。WGH-10型黑体实验装置的控制系统采用WINDOWS界面，在WINDOWS 95/98系统下均能适用，功能强大、操作简便。控制软件中，根据普朗克公式可以计算出任意温度下的绝对黑体的理论曲线，用户可以根据需要提取。WGH-10型黑体实验装置所配的光源是溴钨灯，溴钨灯的谱线大致类似于黑体，但是由于钨的发射系数不是1，所以需要进行修正。软件可以对不同温度下溴钨灯的曲线进行发射系数e（仅限于溴钨灯）的修正。此外WGH-10型黑体实验装置还可作为光谱区间在800-2500nm范围的光栅光谱仪使用，进行其它实验。1规格与主要技术指标1.1 规格、参数：相对孔径 D/F=1/7焦距 302 mm色散元件 300L/mm光栅狭缝 0-2 mm连续可调，示值精度0.01mm/格，最大高度20mm主机尺寸

2、360300160mm1.2 主要技术指标：波长范围 8002500nm波长精度 6 nm 波长重复性 3 nm杂散光 0.3%T2黑体的基本理论2.1 黑体辐射任何物体，只要其温度在绝对零度以上，就向周围发射辐射，这称为温度辐射。黑体是一种完全的温度辐射体，即，任何非黑体所发射的辐射通量都小于同温度下的黑体发射的辐射通量；并且，非黑体的辐射能力不仅与温度有关，而且与表面的材料的性质有关。而黑体的辐射能力则仅与温度有关。黑体的辐射亮度在各个方向都相同，即黑体是一个完全的余弦辐射体。辐射能力小于黑体，但辐射的光谱分布与黑体相同的温度辐射体称为灰体。2.2黑体辐射定律2.2.1 黑体辐射的光谱分布普朗克辐射定律 此定律用光谱辐射度表示，其形式为：（瓦特/米3）式中：第一辐射常数C1 = 3.7410-16 （瓦米2）第二辐射常数C2 = 1.439810-2（米开尔文）黑体光谱辐射亮度由下式给出：（瓦特/米3.球面角）图2-1 给出了随波长变化的图形。图2-1 黑体的频谱亮度随波长的变化。每一条曲线上都标出黑体的绝对温度。与诸曲线的最大值相交的对角直线表示维恩位移定律。2.2.2 黑体的积

3、分辐射斯忒藩波尔兹曼定律此定律用辐射度表示为，（瓦特/米2）T为黑体的绝对温度，d为斯忒藩波尔兹曼常数，d = 5.67010-8 （瓦/米2.开尔文4）其中，k为波尔兹曼常数，h为普朗克常数，c为光速。由于黑体辐射是各向通行的，所以其辐射亮度与辐射度有关系于是，斯忒藩波尔兹曼定律也可以用辐射亮度表示为（瓦特/米2.球面度）2.2.3 维恩位移定律光谱亮度的最大值的波长 lmax与它的绝对温度T成反比，A为常数，A=2.89610-3 （米开尔文）L max=4.10T510-6（瓦特/米3.球面角.开尔文5）随温度的升高，绝对黑体光谱亮度的最大值的波长向短波方向移动。3 黑体实验装置的实验原理3.1仪器的基本组成WGH-10型黑体实验装置，由光栅单色仪，接收单元，扫描系统，电子放大器，A/D采集单元，电压可调的稳压溴钨灯光源，计算机及打印机*组成。该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体。*注：计算机及打印机不包含在仪器配置内，用户可选配。（各部分的连线插头均唯一，不会出现插错现象）3.2 主机结构入缝溴钨灯出缝接收器观察窗单色器 主机部分有以下几部分组成：单色器，狭缝，接收

4、单元，光学系统以及光栅驱动系统等。图3-1 WGH-10型黑体实验装置3.2.1 狭缝狭缝为直狭缝，宽度范围02.5mm连续可调，顺时针旋转为狭缝宽度加大，反之减小，每旋转一周狭缝宽度变化0.5mm。为延长使用寿命，调节时注意最大不超过2.5mm，平日不使用时，狭缝最好开到0.10.5mm左右。为去除光栅光谱仪中的高级次光谱，在使用过程中，操作者可根据需要把备用的滤光片插入入缝插板上。3.2.2 仪器的光学系统光学系统采用CT型，如图3-2。图3-2 光学原理图M1反射镜、M2准光镜、M3物镜，M4反射镜、M5 深椭球镜、M6转镜G平面衍射光栅、S1入射狭缝、S2，S3出射狭缝、T调制器入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围02.5mm连续可调，光源发出的光束进入入射狭缝S1，S1位于反射式准光镜M2的焦面上，通过S1射入的光束经M2反射成平行光束投向平面光栅G上，衍射后的平行光束 经物镜M3成象在S2上。经M4、M5会聚在光电接受器D上。M2、M3 焦距302mm光栅G每毫米刻线300条 闪耀波长1400nm滤光片工作区间： 第一片 8001000nm 第二片 10001600nm

5、第三片 16002500nm3.2.3 仪器的机械传动系统仪器采用如图3-3（a）所示“正弦机构”进行波长扫描，丝杠由步进电机通过同步带驱动，螺母沿丝杠轴线方向移动，正弦杆由弹簧拉靠在滑块上，正弦杆与光栅台连接，并绕光栅台中心回转，如图3-3（b），从而带动光栅转动，使不同波长的单色光依次通过出射狭缝而完成“扫描”。a扫描结构 b光栅转台图3-3 扫描结构图及光栅转台图3.3 溴钨灯光源标准黑体应是黑体实验的主要设置，但购置一个标准黑体其价格太高，所以本实验装置采用稳压溴钨灯作光源，溴钨灯的灯丝是用钨丝制成，钨是难熔金属，它的熔点为3665K。钨丝灯是一种选择性的辐射体，它产生的光谱是连续的它的总辐射本领RT可由下式求出。式中为温度T时的总辐射系数，它是给定温度钨丝的辐射强度与绝对黑体的辐射强度之比，因此 或式中B为常数，1.4710-4钨丝灯的辐射光谱分布RT为上面谈到了黑体和钨丝灯辐射强度的关系，出厂时将给配套用的钨灯光源，一套标准的工作电流与色温度对应关系的资料。3.3.1结构电流显示电源开关220伏电源插头排风扇电压显示溴钨灯插头调节钮光源系统采用电压可调的稳压溴钨灯光源，额定

6、电压值为12V，电压变化范围2-12v。 溴钨灯电源面板 溴钨灯电源背面图溴钨灯插板固定旋钮滤光片插槽底角溴钨灯插槽板出光孔卡位槽 溴钨灯装接图 溴钨灯外形图图3-4 溴钨灯及滤光片插入结构3.3.2光源光路图3.3.3 溴钨灯的色温溴钨灯工作电流色温对应表电流 (A)色温 (k)3.4 接收器 本实验装置的工作区间在800-2500nm，所以选用硫化铅（PbS）为光信号接收器，从单色仪出缝射出的单色光信号经调制器，调制成50HZ的频率信号被PbS接收，选用的PbS是晶体管外壳结构、该系列探测器是将硫化铅元件封装在晶体管壳内，充以干燥的氮气或其它惰性气体，并采用熔融或焊接工艺，以保证全密封。该器件可在高温，潮湿条件下工作且性能稳定可靠。3.5 电控箱电控箱控制光谱仪工作，并把采集到的数据及反馈信号送入计算机。接收器插头电源插头电源开关接收器插口 口扫描电机插口USB接口 电控箱正面图电控箱背面图图3-5 电控箱3.6 实验3.6.1 实验内容1. 验证普朗克辐射定律。2. 验证斯忒藩一波耳兹曼定律。 3. 验证维恩位移定律。4. 研究黑体和一般发光体辐射强度的关系。5. 学会测量一般发

7、光光源的辐射能量曲线。3.6.2 软件 实验装置的软件有三部分，一部分是控制软件主要是控制系统的扫描，功能、数据的采集等；二部分是数据处理部分，用来对曲线作处理，如曲线的平滑、四则运算等；三部分专门用于黑体实验。前两部分很好理解，下面重点介绍第三部分。 第三部分的软件设计主要是用来完成黑体实验，主要内容： 建立传递函数曲线 辐射光源能量的测量 修正为黑体(发射率修正) 验证黑体辐射定律3.6.2.1 建立传递函数曲线图3-6 WGH-10软件工作平台任何型号的光谱仪在记录辐射光源的能量时都受光谱仪的各种光学元件，接收器件在不同波长处的响应系数影响，习惯称之为传递函数。为扣除其影响，我们为用户提供一标准的溴钨灯光源，其能量曲线是经过标定的。另外在软件内存储了一条该标准光源在2940K时的能量线。当用户需要建立传递函数时，请按下列顺序操作：1. 将标准光源电流调整为“3.3.3溴钨灯的色温”表中色温为2940K时电流所在位置；2. 预热20分钟后，在系统上记录该条件下全波段图谱；该光谱曲线包含了传递函数的影响；3. 点击“验证黑体辐射定律”菜单，选“计算传递函数”命令，将该光谱曲线与已知的

8、光源能量曲线相除，即得到传递函数曲线，并自动保存。以后用户在做测量时，只要将图3-6中右上方“传递函数”点击成：“传递函数”。后再测未知光源辐射能量线时，此时测量的结果已扣除了仪器传递的影响。3.6.2.2修正为黑体任意发光体的光谱辐射本领与黑体辐射都有一系数关系，软件内提供了钨的发射系数，并能通过图3-6的右上方“修正成为黑体”的菜单，点击“修正为黑体”点击成：“修正为黑体”。此时，测量溴钨灯的辐射能量曲线将自动修正为同温度下的黑体的曲线3.6.2.3 验证黑体辐射定律将溴钨灯光源按说明书要求安装好，将图3-6中的“传递函数及修正为黑体”点击成：“传递函数及修正为黑体”而后扫描记录溴钨灯曲线。可设定不同的色温多次测试，并选择不同的寄存器（最多选择5个寄存器）分别将测试结果存入待用。有了以上测试数据，操作者可点击验证黑体辐射定律，菜单图3-7图3-7操作者可以根据软件提示，验证黑体辐射定律。4安装4.1 开箱打开仪器的包装后，请对照装箱单对仪器的齐套性进行认真清点验收，如发现与装箱单不符或者仪器表面有明显的受损现象请立即与售方联系解决。4.2 安装场地该仪器是实验用仪器。为了提高仪器的工作质量和延长仪器的使用寿命，在选择仪器安装场地时应注意以下几点：1. 环境温度 2052. 净化湿度 65%3. 无强振动源、无强电磁场干扰。4. 室内保持清洁、无腐蚀性气体。5. 仪器应放置在坚固的平台上。6. 仪器放置处不可长时间受阳光照射。7. 室内应具稳压电源装置对仪器供电，装有地线，保证仪器接地良好。4.3 安装方法WGH-10型黑体实验装置，系精密仪器。因此仪器安装的场地应满足4.2的要求。工作台必须平稳。系统连线示意图如图4-1（各部分的连线插头均唯一，不会出现插错现象）: 图4-1

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