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1、红外检测技术,第一章 绪论,红外线的发现,1800年，英国天文学家赫谢尔(Kerschel)在用棱镜观察可见光光谱的时候，在红光以外区域发现了热效应十分显著的不可见的射线，当时被称之为“热线”。 反复实验证明，在红光外侧，确实存在一种人眼看不见的“热线”，后来称为“红外线”，也称“红外辐射”。,红外线产生的根源,红外线是从物质内部发射出来的，物质的运动是产生红外线的根源。众所周知，物质是由原子、分子组成的，它们按一定的规律不停地运动着，其运动状态也不断地变化，因而不断地向外辐射能量，这就是热辐射现象。,红外辐射的物理本质,红外辐射的物理本质是热辐射。这种辐射的能量主要由这个物体的温度和材料本身
2、的性质决定。特别是，热辐射的强度及光谱成分取决于辐射体的温度，也就是说，温度这个物理量对热辐射现象起着决定性的作用。,红外辐射的基本特性相似点,红外线是一种电磁辐射，它也具有与可见光相似的特性： (1)反射、折射、干涉、衍射和偏振。 (2)具有粒子性，即它可以光量子的形式发射和吸收，这已在电子对产生、康普顿散射、光电效应等实验中得到充分证明。,红外辐射的基本特性不同点,(1)红外线对人的眼睛不敏感，所以必须用对红外线敏感的红外探测器才能接收到； (2)红外线的光量子能量比可见光的小；(3)红外线的热效应比可见光要强得多；(4)红外线更易被物质所吸收，但对于薄雾来说，长波红外线更容易通过。,红外
3、辐射波段的划分,红外物理的研究对象,红外物理学是现代物理学的一个分支，它以电磁波谱中的红外辐射为特定研究对象，是研究红外辐射与物质之间相互作用的学科。红外物理学运用物理学的理论和方法，研究和分析红外辐射的产生、传闭及探测过程中的现象、机理、特征和规律，从而为红外围射的技术应用、探索新的原理、新的材料、新型器件和开拓新的波谱区，提供理论基础和实验依据。,红外系统的功能与特点,一个比较完整的红外系统通常包括光学系统、调制盘、红外探测器、电子线路和显示记录装置等。 透过大气的目标辐射，被光学系统接收、调制井聚焦到红外探测器响应平面上。调制盘将连续光调制成交变信号并进行空间滤波。红外探测器接收交变的红
4、外辐射并把它转变为电信号，探测器输出的信号经过电子线路完成放大处理。显示记录装置将经过处理的信号进行显示和记录。,红外系统的功能与特点,与雷达系统和可见光仪器相比，红外系统具有独有的特点： (1)尺寸小，重量小； (2)能有效地抗可见光波段的伪装； (3)能在白天和夜间工作； (4)比雷达有更高的角精确度； (5)对辅助装置要求最少。,红外辐射度学基础,对可见光而言 ： 在光度学中，标志一个光源发射性能的重要参量是光通量、发光强度、照度等 。 光度学是以人眼对入射辐射刺激所产生的视觉为基础的，因此光度学的方法不是客观的物理学描述方法，它只适用于整个电磁波谱中很窄的(可见光)那部分区域。,对于电
5、磁波谱中其他广阔的区域,对于红外辐射、紫外辐射和x射线 而言： 采用辐射度学的概念和度量方法，它是建立在物理测量的客观量辐射能的基础上的，不受人的主观视觉的限制。因此，辐射度学的概念和方法，适用于整个电磁波谱范围。 辐射度学主要遵从几何光学的假设， 不考虑衍射和干涉效应。,辐射度学用于测量的不足之处,测量误差大，即使采用较好的测量技术，一般误差也在3左右。误差大的原因很多，其一是辐射能具有扩散性，它与位置、方向、波长、时间、偏振态等有关；其次，辐射与物质的相互作用(发射、吸收、散射、反射、折射等)也都与辐射参量有关；此外，仪器参量和环境参量也都影响测量结果。,红外辐射度学基础基本辐射量的定义,
6、1.辐射能：以电磁波的形式发射、传输和接收的能量称为辐射能，用Q表示。 2.辐射能密度：辐射场中单位体积的辐射能，用u表示，单位为(Jm-3) 。,红外辐射度学基础基本辐射量的定义,3.辐射能通量：单位时间内通过某一面积的辐射能。4.辐射强度：辐射强度用来描述点辐射源发射的辐射能通量的空间分布特性。它被定义为：点辐射源在某方向上单位立体角内所发射的辐射能通量，称为辐射强度，用I表示，即,红外辐射度学基础基本辐射量的定义,5.辐亮度：辐亮度是用来描述扩展源发射的辐射能通量的空间分布特性。对于扩展源，无法确定探测器对辐射源所张的立体角，此时，不能用辐射强度描述源的辐射特性。辐亮度的定义是：扩展源在
7、某方向上单位投影面积A向单位立体角发射的辐射能通量，用L表示，即,6.辐出度：对于扩展源来说，在单位时间内向整个半球空间发射的辐射能显然与源的面积有关。因此，为了描述扩展源表面所发射的辐射能通量沿表面位置的分布特性，还必须引入一个描述面源辐射特性的量，这就是辐出度。辐出度的定义是：扩展源在单位面积上向半球空间发射的辐射能通量，用M表示，即,红外辐射度学基础基本辐射量的定义,红外辐射度学基础基本辐射量的定义,(7)辐照度：上述的辐射强度、辐亮度和辐出度都是用来描述源的辐射特性。为了描述一个物体被辐照的情况，故引入另一个物理量，这就是辐照度。辐照度的定义是：被照物体表面单位面积上接收到的辐射能通量
8、，用E表示，即,注意：,辐照度和辐出度的单位相同，它们的定义式形式也相同，但它们却具有完全不同的物理意义。辐出度是离开辐射源表面的辐射能通量分布，它包括源向空间发射的辐射能通量；而辐照度则是入射到被照表面上的辐射能通量分布，它可以是一个或多个辐射源投射的辐射能通量，也可以是来自指定方向的一个立体角小投射来的辐射能通量。,红外辐射的基本定律朗伯余弦定律,凡辐射强度曲线服从余弦定律的光源称为朗伯光源。漫反射体的辐射强度分布遵从朗伯余弦定律，自身发射的黑体辐射源也遵从朗伯余弦定律。 由于漫反射源在各个方向上的辐亮度都相等，根据辐亮度的定义，有,红外辐射的基本定律朗伯余弦定律,上式称为朗伯余弦定律。它
9、表明，各个方向上辐亮度相等的发射表面，其辐射强度按余弦定律变化。,朗伯余弦体,朗伯辐射源的辐射特性,(1)朗伯辐射源各方向上的辐亮度之间的关系朗伯辐射源的辐亮度是一个与方向无关的常数，即其各方向的辐亮度相等。 (2)朗伯源的辐亮度与辐出度之间的关系,朗伯辐射源的辐射特性,朗伯辐射源的辐射特性,朗伯辐射源的辐射特性,(3)朗伯源的辐亮度与辐射强度之间的关系朗伯辐射源在法线方向上的辐射强度等于辐亮度乘以源面积。 (4)朗伯源的辐射强度与辐射能通量之间的关系,朗伯辐射源的辐射特性,(5)理想漫反射体辐亮度与辐照度之间的关系 理想漫反射体的辐出度等于它表面上的辐照度，理想漫反射体的辊亮度等于它的辐照度
10、除以,计算实例,1点源向圆盘发射的辐射能通量计算,射能通量。,计算实例,2.小面源产生的辐照度计算 当红外探测器或光学系统接收在一定距离上辐射源的辐射时，若源尺寸与源到接收系统的距离相比较小，则可将源视作小面源，面探测器表面或光学系统接收孔径就可当成被照表面。如图所示，设一小面源的面积 ，辐亮度为 L，计算该小面源产生的辐照度。,计算实例,红外辐射的基本定律基尔霍夫定律,1859年基尔霍夫根据热平衡原理导出了关于热转换的著名的基尔霍夫定律。这个定律指出：在热平衡条件下，所有物体在给定温度下，对某一波长来说，物体的发射本领和吸收本领的比值与物体自身的性质无关，它对于一切物体都是恒量。,基尔霍夫定
11、律的推论,(1)根据基尔霍夫定律和发射率定义可知，物体的发射本领(发射率)与吸收本领(吸收比)相等即 ，一般 不易直接测定，故常通过测量值来确定的值。 (2) 对于不透明物体，即 ，故 。所以测得值就可确定之值。由以上分析可知，好的吸收体也是好的发射体，并且好的反射体，就不是好的发射体，也是不良的吸收体。,基尔霍夫定律的推论,(3)因为任何物体所吸收的能量绝不对能大于辐射到其上面的能量，故 和 不但相等，而且其数值绝不可能大于1，同时也一定小于黑体的值。所以在选择红外辐射材料时，要尽量让财和接近于1。,黑体辐射谱的移动维恩位移定律,普朗克公式表明，当提高黑体温度时，辐射谱峰值向短波方向移动。维
12、恩位移定律则以简单形式给出这种变化的定量关系。 将通用形式的普朗克公式对波长求导数：,黑体的全辐射量斯忒藩玻耳兹曼定律,1879年斯忒藩通过实验得出：黑体辐射的总能量与波长无关，仅与绝对温度的四次方成正比。1884年，玻耳兹曼把热力学和麦克斯韦电磁理论综合起来，从理论上证明了斯忒藩的结论是正确的，从而建立了斯忒藩玻耳兹曼定律。,该定律表明：黑体的全辐射的辐出度与其温度的四次方成正比。,计算实例,第二章 红外辐射源,硅碳棒,硅碳棒电热元件是一种以碳化硅为主要原料制成的非金属电热元件，具有膨胀系数小、不易变形、化学稳定性强、使用寿命长、安装维修方便等特点。硅碳棒电热元件可使用的炉体温度为600-1
13、600，可在空气中使用，无需任何保护气氛，广泛应用于冶金、陶瓷、玻璃、机械、分析化验、半导体、科学研究等领域。,钨灯,钨管黑体灯,水银灯,乳白石英加热管,一、石英加热管技术节能原理,石英远红外加热管是采用了经特殊工艺加工的乳白石英玻璃管、配用电阻合材料作为发热子，由于乳白石英玻璃可以吸收来自电热丝辐射的几乎全部的可见光和近红外光、且能使之转化为远红外辐射。故乳白石英是一种转换效率很高的远红外能量的加热元件，石英加热管具有优良的远红外辐射特性。通电后，发热合金丝发射的近红外光和可见光其中95被乳白石英管所阻挡、吸收、使管内温度升高产生纯硅氧键的分子振动，辐射远红线。置使此95的可见光，近红外光均
14、可转化为远红外光辐射。,二、石英加热管性能与用途,石英加热管不用涂料，辐射率稳定、高温不变形、无有害辐射、无环境污染、耐高温、抗蚀能力极高，化学稳定性好、热惯性小、热响应速度快、热转换效率高。加热温度可自行选择、长期使用辐射性能不退变，结构合理使用方便。石英加热管是国内唯一的选择性辐射远红外加热元件。用途广泛、适用性强。它可广泛地应用于机电、化学、电子纺织、印染、塑料、印刷、粮食、食品加工、医学卫生、皮革等加热干燥，固化脱水及各类烘道、烘房、烘箱的加热设备上。石英加热管特别适应于医药卫生、科研试验室、要求无污染的环境，含酸碱等腐蚀性加热场合。,氙灯,第二章 红外辐射源,凡是温度高于绝对零度的物
15、体都可以发射红外辐射，所以，从原则上讲，自然界任何实际物体都是红外辐射源。然而，对红外物理研究与红外技术应用具有实际意义的红外源十分有限，它主要包括四种类型：作为辐射标准的黑体辐射源；红外技术中应用的红外辐射源；红外系统在进行探测、定位和识别时使用的红外目标源；干扰红外系统探测的背景辐射源。,2.1 黑体辐射源,能够在任何温度下全部吸收所有波长的辐射的物体叫绝对黑体。绝对黑体的辐射称为黑体辐射。 一个密闭空腔中的辐射就是黑体辐射，不过绝对黑体只是一个理想概念。实际上，为了从腔内取出辐射，需要把黑体腔开一个小孔，这种腔形黑体辐射源的发射率非常接近于1。,2.1 黑体辐射源,l860年，基尔丘夫(
16、Kirchuff)提出了制作黑体辐射源的理论原则，指出腔体内应处于理论等温状态，辐射小孔的面积与腔体内表面的面积相比应可以忽略。到20世纪40年代，哥福(Gouffe)建立了完整的空腔辐射理论，为黑体辐射源的应用奠定了基础。随着计算机技术的发展，空腔理论设计工作取得了很大进展，理论计算得到的黑体辐射源的有效发射率可达0.9999以上。黑体空腔理论的成熟和计算的准确性，为设计和制作实用的黑体辐射源创造了良好的条件。,2.1.1 黑体辐射源的用途,黑体辐射源通常用作辐射标准，它被用于： 标定各种红外辐射源的辐射强度； 标定各类红外探测器的响应率； 测定红外光学系统的透射比； 研究各种物质表面的热辐射特性； 研究大气或其他物质对辐射的吸收或透射性能。,2.1.2 黑体辐射源辐射特性的决定因素,衡量一个黑体辐射源性能的优劣，主要决定于空腔内有效发射率和辐射能通量的大小，以及黑体腔的工作温度。黑体辐射源的有效发射率与开孔面积相对于腔体内表面总面积的大小、黑体腔的形状和材料表面发射率以及肢体偏离真正等温条件的程度等因素有关。,
