红外检测方法.docx

红外检测方法

红外线的划分

1672年英国著名科学家牛顿首次用三棱镜将太阳光分解为红、橙、黄、绿、青、兰、紫七色，开始了可见光光谱学的研究.英国著名天文学家赫胥尔在研究太阳光谱中各单色光的热效应时，发现最大的热效应是出现在红色光谱以外，从而发现了红外线的存在。英国著名物理学家马克斯威尔在研究电磁理论时，证实了可见光及看不见的红外线，紫外线等均属于电磁波段的一部分，从而把人们的认识统一到电磁波理论中。从波长为数千米的无线电波，到波长为10-8A?10-i0A(1A=10-4Mm)的宇宙射线均属于电磁波的范围，而可见光谱的波长从0.4-0.76pm仅占电磁波中极窄的一部波段。红外光谱的波段为0.76?1000pm，要比可见光波段宽得多。为了研究和应用的方便。根据红外辐射与物质作用时各波长的响应特性和在大气中传输吸收的特性，可把红外线按波长划分为四部分：

近红外线一一波长为0.76?3pm ；

中红外线一一波长为3?6pm；

远红外线一一波长为6?15pm；

超远红外线——波长为15?1000pm

目前，600°C以上的高温红外线仪表多利用近红外波段。600^以下的中、低温测温仪表面热成像系统多利用中、远红外线波段，而红外线加热装置则主要利用远红外线波段。超远红外线的利用尚在开发研究中。

红外线辐射的基本定理

辐射能Q——辐射源以电磁波形式所辐射的能量(J)。

辐射功率P——辐射源在单位时间内向整个半球空间所发射的能量P=6Q(w/s)。

辐射度M一辐射源单位面积所发射的功率，M=箜(W/m-2)。一般，6源的表面积A越大，发射的功率也越多。因此辐射度M是描述辐射功率P沿源表面分布的特性。辐射度在某些文献上又称为辐出度或辐射出射度等。

光谱辐射度M人—表示在波长入处单位波长间隔内，辐射源单位面积所发射的功率。即

6M

单位波长的辐射度，Mx=6— (W/m2?pm)，通常辐射源所发出的红外电磁波都是由

多种波长成分所组成(全波辐射)。前述的辐射度M是描述全波辐射的，因此又称为全辐射度。而光谱辐射度则是描述某一特定波长成分的辐射度。而光谱辐射度则是描述某一特定波长成分的辐射度。

黑体的概念——黑体是为了研究方便而引入的一种理想物体。它定义为能在任何温度下将辐射到它表面上的任何波长的热辐射能全部吸收；并与其它任何物体相比，在相同温度和相同表面积的情况下其辐射功率为最大的一种物体。黑体辐射可用黑体炉来模拟。对

此，19世纪末叶的物理学家们曾做了大量实验工作，为非黑体辐射的研究奠定了基础。

比辐射率 一一定义为在相同温度及相同的条件下，实际物体(非黑体)与黑体的辐射

M实际物体的辐射度

度的比值，即：

￡= =

M 黑体的辐射度

b

有的文献还定义了光谱比辐射率M 实际物体的光谱辐射度

有的文献还定义了光谱比辐射率

￡= =

xM黑体的光谱辐射度

xb

实验证明，比辐射率与光谱比辐射率是相等的，故工程上常将两者不加区分地均称为比辐射率。比辐射率的引入在黑体辐射和非黑体辐射研究之间架起了一座桥粱.因此在红外技术的理论和应用是一个十分重要的数据，其值随材料、温度、表面状况及波长等因素而变化。可由有关手册或文献中查到。但在实用上多数情况下需要通过实测而得到。

A普朗克(Planck)定律 2兀hc2

m=—r

Xb人5Vehc/入kT—1)

式中： M腥——黑体的光谱辐射度

Ab

C——光速，c=3X108(m/s)；

h——普朗克常数，h=6.63X10-34(W-S2)

k——波尔兹曼常数，k=1.38X10-23(J/K)

T 热力学温度，(K)

A——红外辐射波长，(pm)

普朗克定律揭示了黑体单位面积辐射功率,沿波长分布和随温度变化的规律。

B维恩(Wien)位移定理

由普朗克定律，令专^=0可求得辐射曲线峰值对应的波长X与温度T的关系:

XT=2898(|!m?K)

此式称为维恩位移定理。它定量地说明了当温度升高时普朗克曲线峰值对应波长X左移的

幅度。

C斯蒂藩破尔茨曼定律(Stefan-Boltzmann)

波尔茨曼定律描述了全辐射度M与温度T的关系，可由普朗克定律导出：

2兀hc2

Mb=kMXdX=，X( )dX

经参数代换并积分后可得： M=cT4(W/m2)

此式称为斯蒂藩-波尔茨曼定律。它描述了黑体全辐射度与绝对温度间的关系。

红外线辐射在大气中的传输

地球大气是由多种气体分子和悬浮微粒组成的混合体。其中有些多原子的气体组成分子对红外线某些特定的波长有选择性地具有强烈的吸收作用。例如二氧化碳对红外线在2.7区、4.3日m