热辐射实验.pdf

1 1.实验题目：热辐射与红外扫描成像系列实验实验题目：热辐射与红外扫描成像系列实验 2.实验目的实验目的 1）学习热辐射的背景知识及相关定律，理解科学家们创造性的思维方法和相关实验技术。2）学习用虚拟仪器研究热辐射基本定律，测量Planck常数。3）了解红外扫描成像的基本原理，掌握扫描成像的实验方法和技术。4）培养学生运用热辐射的基本原理和相关技术进行基础研究和应用设计的能力。3.实验内容实验内容 1）验证热辐射基本定律，用黑体辐射公式测量 Planck 常数 2）研究和测定物体不同表面状态的辐射发射量 3）研究辐射发射量与距离的关系 4）红外扫描成像实验研究 5）红外无损探伤实验研究 6）红外温度计的设计与材料热性质的研究 7）运用热辐射基本定律和本实验装置进行自主应用设计性实验 4.实验原理实验原理 1.了解热辐射的基本概念和定律了解热辐射的基本概念和定律 当物体的温度高于绝对零度时，均有红外光向周围空间辐射出来，红外辐射的物理本质是热辐射。其微观机理是物体内部带电粒子不停的运动导致热辐射效应。热辐射的波长和频率在 0.76100之间，与电磁波一样具有反射、透射和吸收等性质。设辐射到物体上的能量为 Q，被物体吸收的能量为 Q，透过物体的能量为 Q，被反射的能量为 Q。由能量守恒定律可得：Q=Q+Q+Q归一化后可得：+1QQQQQQ+=+=（1）式中为吸收率，为透射率，为反射率。1.1 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 基尔霍夫指出：物体的辐射发射量 M 和吸收率的比值 M/与物体的性质无关，都等同于在同一温度下的绝对黑体的辐射发射量 MB，这就是著名的基尔霍夫定律。2 1212()BMMMf t=L（2）基尔霍夫定律不仅对所有波长的全辐射（或称总辐射）而言是正确的，而且对任意单色波长也是正确的。1.2 绝对黑体绝对黑体 能完全吸收入射辐射，并具有最大辐射率的物体叫做绝对黑体。实验室中人工制作绝对黑体的条件是：1）腔壁近似等温，2）开孔面积=+KKKKIKKI 理论模拟结果如图.5 所示。可以看出，图像能够很好的反映辐射面的外形特征，因此利用本实验仪能够进行成像实验。5.实验装置实验装置 该实验装置学生参与研制的教学仪器，开放式的结构设计，有利于学生的主动探索，经过近 10 届学生的改进与不断完善，使得教学内容丰富，实验模式“虚实结合”，理论与应用、探索与验证相互交融。实验测量的数字化，使得测量更方便快捷，有利于实验数据的处理和图像分析。该实验装置主要包括两大模块：虚拟仪器和实测硬件装置。虚拟仪器实验主要研究热辐射基本定律，用黑体辐射公式测量 Planck 常数、研究和测定物体不同表面状态的辐射发射量、研究辐射发射量与距离、温度的关系。实测仪器主要研究红外热辐射成像的基本原理与方法，加深同学们对普朗克辐射定律等基本定律与原理的认识，辅助同学们探索并验证热辐射相关性质与效应。另一方面，为学生提供相关自主设计与研究的实验平台，学生们通过参与该实验装置的研制或实验方法研究，发表了 3 篇研究论文。图 6 8 6.实验步骤实验步骤 在实验前，认真阅读实验教材，深刻了解实验原理；阅读仪器电子版说明资料和软件操作说明，了解仪器构成，各部分的功能，操作方法。在此基础上，根据实验内容和要求制定测量方法，选定合理的实验参数，拟定实验步骤，并在实验过程中不断完善实验步骤。A、热辐射基本定律；、热辐射基本定律；内容一、内容一、黑体辐射（虚拟仿真）黑体辐射（虚拟仿真）1.选择起始波长和色温系数；2.把扫描开始开关拨到开始，虚拟程序开始运行；3.程序自动生成一条波长范围内的辐射曲线，并自动停止；4.点击自动检峰，得出辐射最强处的波长；5.运行数据保存，数据会自动保存至内存，以备下一个虚拟实验调用。内容二内容二 求普朗克常数求普朗克常数 1.点击运行数据导入，普朗克辐射定律的数据会自动导入并生成曲线；2.在数据定标栏中填入数据曲线的最低点、最高点和色温系数；3.点击运行开始定标，定标完成；4.运行开始计算，得出第一、第二辐射常数 C1、C2、普朗克常数 h，以及计算普朗克常数测量的相对误差。内容三内容三 维恩位移定律维恩位移定律 1.选择不同的色温系数，运行虚拟实验黑体辐射，每次把运行自动检峰得到的对应辐射最强对应的波长记录下来；2.得到多组数据后，点击运行绘图并拟和，得出 A 值和曲线。B、物体总辐射发射量的测量（实测）、物体总辐射发射量的测量（实测）内容：当物体的温度高于绝对零度时，均有红外光向周围空间辐射出来，红外辐射的物理本质是热辐射。不同材料及不同表面状况对于辐射发射量均有影响，本实验旨在研究这一热辐射效应。合理选择辐射方盒的辐射温度，改变辐射方盒的表面状态，测量在相同温度下不同表面状态时，辐射发射量的强弱，研究其规律性。C、红外辐射发射量与距离的关系；、红外辐射发射量与距离的关系；本实验要求学生合理选择实验初始条件，改变红外辐射体与探测器之间的相对距离，观测常规环境红外辐射体的辐射量随距离变化的规律性，并对实验结果进行分析和建模，给出经验公式。对学有余力的同学还可以自拟实验方案探测在不同环境条件下的传输特性。D、红外扫描成像：、红外扫描成像：9 一、实验数据采集 1.检查实验装置连线情况，根据扫描成像的实验原理选择合理实验参数和初始值。打开数据采集软件。2.参考实验仪器介绍内容设置软件参数，并以光强为 Y 轴，电压传感器电压为 X 轴，创建一个视图。3.为红外传感器选择合适的增益，保证数据不会溢出，同时使测量值尽可能大，有良好的信噪比。4.每次测量前，必须对红外传感器归零。为保证所有测量值都相对于同一温度值，每次因该在导轨的同一侧规零。测量时，也因该以导轨的该侧为起点。5.每次测量时，先启动采集卡，然后启动扫描电机匀速运动传感器平台；停止时，先停止电机，后停止采集卡。从最高点开始，每降低 0.5mm 重新采集一组数据。采集 50 组数据。6.如果出现操作错误，导致采集数据无效，必须立即在左侧的数据管理窗口中将其删除不能只在视图中删除。二、数据保存 1.单击菜单中“file/export”。2.在弹出的对话框中选择以光强为 Y 轴，电压传感器电压为 X 轴的数据，并确定。3.输入文件名，并确定。三、实验数据处理 1.单击菜单中“数据”/“导入”，找到数据文件，导入数据。2.单击菜单中“数据”/“全部选择”，选择显示全部数据；单击菜单中“图象”/“RGB图象”，显示二维 RGB 图象。如果有数据明显不合理，单击菜单中“数据”/“选择”，选中该组数据，再单击菜单中“数据”/“删除”，将其删除。3.单击菜单中“图象”/“二维插值”对图象进行二维插值。4.单击菜单中“图象”/“平滑滤波”，对图象进行平滑滤波。5.分别单击菜单，“数据”/“X 轴定标”，“数据”/“Y 轴定标”，“数据”/“Z 轴定标”，对数据进行定标。6.单击菜单中“设置”/“图象大小”/“按比例”，查看比例图片。7.单击菜单中“图象”/“三维动画”，查看三维动画。E、其它实验项目：、其它实验项目：例如：红外无损探伤实验研究、红外温度计的设计与材料热性质的研究、运用热辐射基本定律和本实验装置进行自主应用设计性实验等实验，需要学生查阅文献和资料，自拟实验方案和步骤，完成实验探索和研究过程。10 7.思考题思考题 1.用红外传感器测量身边的各种辐射源，例如光源、人体、显示器等，描述实验现象，记录和分析测量的数据，给出合理的解释。3.一般情况吸收热辐射强的物体也是好的辐射热体。你的结果是否和这个规律一致？试解释！4.温度相同的物体，其辐射能力是否相同？5.简述几种红外传感器的特点，以及在设计红外温度计应注意的主要问题。6.试比较红外温度计与其它温敏传感器的优缺点和应用范围。7.讨论斯特藩-波尔兹曼定律在各个领域的应用现状和潜在的应用前景。8.如何设置位移传感器的通道并对位移传感器进行定标和校准？9.查阅相关书籍和文献，你能用该红外扫描成像仪设计一个新颖的实验项目来吗？如果能请给出详实的设计方案。8.参考文献参考文献 1）熊永红 任忠明 张炯等，大学物理实验，科学出版社，2008.2）熊永红 任忠明 张炯 皮厚礼等，大学物理实验，华中科技大学出版社，2004.3）吕斯骅 段家忯，新编基础物理实验，高等教育出版社，2005.4）吴思诚等，近代物理实验，北京大学出版社，1995.5）李伟斌 熊永红.热辐射基础实验.物理实验,2003,23(1):6）邓泽微，熊永红，邱自成等.热辐射扫描成像系统的实验研究.大学物理实验,2005,18(1):7）杨威 龚哲轩 周立功等.红外热成像无损检测.第四届全国高等学校物理实验教学研讨会论文集,2006:P259.9.华中科技大学物理实验教学中心编华中科技大学物理实验教学中心编