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1、 第三章红外辐射源 红外辐射源类型1 作为辐射标准的黑体辐射源 用于红外设备的绝对校准 2 红外技术中应用的红外辐射源 3 红外系统在进行探测 定位 识别时使用的红外目标源4 干扰红外系统探测的背景辐射源 3 1黑体辐射源 绝对黑体定义 能够在任何温度下全部吸收所有波长的入射辐射的物体 绝对黑体的辐射又称为黑体辐射 一 黑体辐射源的产生 1 1859年基尔霍夫定律2 1860年基尔丘夫提出了制作黑体辐射源的理论原则 指出了腔体内应处于理论等温状态 辐射小孔面积与腔体内表面的面积相比应可以忽略 3 20世纪50年代的哥福理论的建立4 随时计算机技术的发展 空腔理论计算得到了黑体的有效发射率可达0
2、 9999以上 3 1 1黑体辐射源的特点 一 黑体辐射源通常作为辐射标准 1 标定各种红外辐射源的辐射强度 2 标定各类红外探测器的响庆率 3 测定红外光学系统的透射比 4 研究各种物质表面的热辐射特性 5 研究大气或其他物质对辐射的吸收或透射的性能 二 衡量黑体辐射源性能的优劣条件 1 空腔内有效发射率2 辐射能通量的大小3 黑体腔的工作温度三 黑体辐射源的类型分类1 1273K以上称为高温黑体 辐射能通量在近红外波段 2 373 1273K称为中温黑体 辐射能通量在中红外波段 3 223 373K称为近室温黑体 辐射能通量在远红外波段 4 低于223K的称为低温黑体 3 1 2黑体辐射源
3、有效发射率的计算 空腔型黑体辐射源的发射率的公式推导哥福 Gouff 理论 1954年 Gouff 提出的计算开孔空腔有效发射率的表达式 可对球形 圆柱形 圆锥形腔体的有效发射率进行理论计算 0 1 1 S St 1 S St S St 0腔的有效发射率 腔内壁材料的发射率St腔内壁面积 S开孔面积 黑体开孔面积S所对应的立体角 3 1 3黑体辐射源的结构及设计要求 一 结构图二 腔形黑体源的腔形结构锥形腔 柱形腔 球形腔三 根据哥福理论公式对三种腔形的有效发射率进行推导 四 腔体的选择1 对于相等的相对腔长 L 和相同腔体材料表面发射率 的条件下 锥形腔的发射率最小 球形腔最大 柱形腔稍小
4、2 柱形腔和锥形腔由于源的体积小和重量轻 易于保温 加工容易等方面占有优势 球形腔则用于制作大口径黑体源的情况下采用 3 在高 中 低温黑全辐射源中广泛采用柱形腔做同精度黑体 工业标准中的中温黑体辐射源通常为锥形腔 4 若腔壁材料 足够大 且L R也足够大 0将与波长无关 且趋近于1 因此 五 腔体材料的选择 1 选择材料表面发射率高 并尽可能具有漫反射性能 2 选择在黑体工作温度范围内有好的抗氧化能力 3 为使温度分布均匀要选择具有较高的热传导性能 六 对加热的要求为实现对腔体的均匀加热 使腔壁温度分布均匀 加热线圈合理分布 要求中间稀疏后端稍密 越近腔口越加密 常用2 3组加热丝 或用恒温
5、热流法 但造价高 七 对温度测量和控制的要求常用铂电阻温度计插入腔体以测量腔体温度 另一温度计插入腔芯 并接电子比例控制器以控制腔芯温度 3 1 4黑体辐射源的类型 1 中温黑体辐射源工作温度500 600K制作中的关键技术 1 采用不锈钢氧化发黑技术处理 使腔体材料的发射率 提高 2 在绝热层使用了镀银的真空石英杜瓦瓶套管 有效地阻止了热传导的影响 提高了有效发射率 3 采用优化的无感加热丝的特定绕法 使线圈密度沿轴向合理分布 从而获得均匀的温度分布 4 采用优质抗冲击材料和精密机械结构 使能抗冲击和振动 2 大口径黑体辐射源包括大口径中温黑体辐射源和大口径近室温黑体辐射源 3 面元黑体辐射
6、源现普遍使用的是温差电控温的黑体源 工作温度 40 60 为0 995 3 2电热固体红外辐射源 3 2 1能斯特灯1 构造 是一种由氧化锆和氧化钇及少量其他物质混合制成的棒状或管状固体红外辐射源 2 工作条件 在室温时是绝缘体 在点燃之前需加电压至230V左右 用酒精灯 或加热丝 将其预热到800 左右 即开始导电 3 特点 可直接在空气中点燃 机械强度低 工作寿命短 表面状况受空气影响 起燃麻烦 4 参数 功耗45W 0 1A TC 1980K 3 1mm 12 7mm 3 2 2硅碳棒 1 构造硅碳棒是用含SiC超过95 的材料制成的棒状或管状辐射源 2 特点 机械强度好 工作寿命长 使
7、用简便 受电压影响小 但体积大 最高TC低 易升华 需用低电压 大电流 功耗大 3 用途 4 参数 3 2 3钨灯 钨的特点 熔点高 3680K 蒸发率小 在可见光波段选择性好 高温下机械强度大 易于加工等优点 所以广泛应用于白炽灯 分类 1 钨丝灯 辐射波长在3 m以下2 钨带灯 宽2mm 厚0 05mm3 钨管黑体灯 可见光区域光谱发射率高 可达0 95 真空时温度可达1800 充氩气时灯可达2700 3 2 4乳白石英加热管 1 构造 以天然水晶为原料坩埚的两端电极为石墨的发射体 在真空电阻炉中加热到熔融态时 1740 拉制而成 因在熔融过程中 使气体在熔体中形成大量的小气泡 故外观呈乳
8、白色 2 特点 1 发射率高 并具选择性发射 2 热惯性小 3 升温快 4 温度通常为400 500 5 外表洁白 3 3气体放电辐射源 一 原理及构成 1 原理 当电流通过气体媒质时 会产生多种放电现象 利用这种放电现象可以制成辐射源 用得较多的有辉光放电和弧光放电 2 结构 如图二 发光过程 三级式 1 自由电子被外电场加速 2 被加速的电子与气体原子碰撞 使气体原子受激 3 当受激原子返回基态时 以辐射的形式释放能量 3 3 1水银灯 一 原理二 结构简图三 水银灯的放电过程四 水银灯的三个工作阶段五 使用时注意的问题六 应用七 分类 3 3 2氙灯 利用高压或超高压惰性气体放电现象制成
9、的辐射源 如氙灯 结构图 特点 氙灯与水银灯的不同 氙灯在启动之前 常温下就存在很高的气压 所以点燃惰性气体放电灯时需辅助装置 触发器 水银灯在启动之前 蒸气压不高 需用辅助电极 3 3 3碳弧 结构 电弧发生在大气中两个碳棒之间 为了使电弧保持稳定 阳极做成有芯的 普通碳弧阳极的外壳和灯芯都是有纯碳素材料制成的 且灯芯材料较软 工作方式 在阳极中心形成稳定的喷火口 弧坎 90 的辐射是由弧坎发出的 启动方式 3 6自然红外辐射源 太阳辐射太阳辐射强度达6200w cm 21 太阳的辐射光谱分布太阳光谱从波长10nm或更短的X射线一直延伸到波长大于100m的无线电波 目前已能够对太阳的全部波长范围 0 12 1000 m 的测量 2 太阳常数和太阳光谱辐射度 太阳常数 在地球大气外层 平均日 地距离处 垂直于太阳辐射光的单位面积上 单位时间内从太阳光接收到的辐射能量总值 太阳光谱辐照度 在地球大气外层 平均日 地距离处 相应的辐射能量分布对波长的函数 太阳常数的选取 在离太阳的平均日 地距离为1天文单位 1 496 1013cm 处 常把地球大气层外的太阳常数取为1353W m2 地面和云层的辐射天空的辐射人体的辐射
