红外测温传感器及红外辐射计实验报告.doc

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一 —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氏全部辐射的能力等于它向外辐射的能力，这个物体就称Z为 黑体黑体能够吸收它辐射的全部能量，和同温度卜•的各种物体以黑体向外辐射的能竝最人 自然界的所有物休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：El/E+E2/E+E3/E=a+/94-T=lot=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蜃的吸收率等于1,即：a=l, p=0, T=0o黑体的辐射率£入=£=1,如果物体的辐射率£入=£<1,贝I」该物体称之为灰体黑体的普朗克定律：定义为单位表血积的黑体，以特定波长久在单位波长间隔CU内，向 周围空间辐射的辐射度表示为：Ma(A, T)= (Ci/A5) (1/e^/AT-l) W/m3；上式中：A 波长，um；T——热力学温度，K：C1 =27rhc2=3.7418* 10'16——笫一辐射常数，W*m2；C2=hc/k= 1.43879* 102——第二辐射常数，m*K；其中：2.9979* 108——真空中的光速，m/s；h=6.6256*l(y34——普朗克常数，J*s；k=1.38054*10'23——玻耳兹曼常数，J/Ko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九址，随着温度的升高， 九郴向倉波长方向移动，这称为维恩位移定律。

将普朗克公式对波氏求导数，令英导数等于零，取得极大值九和，即得到维恩公式：AmaX=2.898*10'3/T,将普朗克公式从0〜8积分，可得到黑体的全部辐射强度：M(T)=/>M八儿T)cU=ctT4这称Z为斯蒂芬玻耳兹曼定律式中:0=5.67*10%——斯蒂芬■玻耳兹曼常数，W/( m2*K4)o2 •非黑体辐射山于物体的辐射率£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休的辐射率WV1, —般金属材料的辐射率不仅与温度有 关，而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MNOT4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，红外探测器的输岀信号将有较大的变化红外探测器的输出倍号与接受到的辐射 强度成止比，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0.2°C,测温范围儿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农I红外线炉盘小央温度与辐射波长的测量表时间t/min温度T波长A/um时间 t/min温度T波长A/um°CK°CK023.5295. 5510. 1422240.6513. 755. 84257.3330. 459. 0724245.0518.155. 79496.2369. 358. 1226252.6525. 755. 70612& 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:MZ(A, T)= (Ci/15) (l/ec2/AT.l) w/m3；对波长求导得到 M/(A, T)=-5 (Ci/AO (i/ec2/AT.D +(C2*ecW/A2T)/(e^T-l)2令上式等于零，取得极人值九神，即得到维恩公式：Amax=2.898*10-3/T,B.作T—t III］线，分析炉盘中心温升与时问的关系。

T_t曲线根据上图可得结论：在前26分钟，炉盘中心温度随着时I'可的推移而升高，Z后继续加 热，贝9温度升高的趋势减缓，基木保持不变C.作T-Allll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吋间t/min温度T辐射强度时间温度T辐射强度°CKM(W/M2)t/min°CKM(W/M2)045.2295. 55432. 622217& 8451.952365.618045.2295. 55389. 362217& 8451.952129.0629& 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二的0,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M-T曲线根据上图町得结论：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=faT4o【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大I为它不像通常温度计那样，耍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叭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)=(A, T) dA=aTS物体辐射能量跟温度4次 方成正比，所以只要温度有微小的变化，辐射能量就会有明显的变化4) 红外测温和确度高由于是非接触测量，这样测量过程不会改变被测物体的温度, 所以测量结果真实可靠5) 红外测温范I韦I人红外测温的原理决定了其测温范围人于通常的温度计现在实 用的红外测温仪一般分为高、中、低三类，测温范围分别为：700°C以上、100°C—700°C、 ioo°c以下。