黑体辐射定律测量.doc

黑体辐射定律测量
实 验 报 告

课程名称 红外与微光
姓 名
学 号

一、实验名称：黑体辐射功率与温度关系测量
二、实验目的
1、 掌握黑体辐射理论；
2、 了解空腔黑体；
3、 了解热像仪使用。
三、原理
黑体辐射理论是二十世纪初光量子理论的重要起源之一。普朗克(Planck)针对黑体辐射提出了光不连续的能量假设,成功解释了黑体辐射的光谱分布,是光量子的最重要的证据.黑体辐射理论不仅是量子力学和光量子理论的重要基础依据,黑体辐射的重要结论也是现代测量的重要基础. 所谓黑体是指入射的电磁波全部被吸收，既没有反射，也没有透射( 当然黑体仍然要向外辐射)。显然自然界不存在真正的黑体，但有些物体在某些波段上是较好的黑体。例如图1所示的空腔,腔体上开有一个小孔,波长远小于小孔光从小孔入射后,由于腔壁的多次吸收,光基本上被全部吸收．当腔体保持一定的温度时,黑体以确定的谱分布向外辐射电磁能量.
图1 空腔黑体,光从小孔入射进空腔,
腔壁多次吸收光被几乎全部吸收.

为了解释所示黑体辐射分布，普朗克（Palnck）提出了如下模型：
（1） .空腔黑体中的每一个电磁波模式（频率为）的可能能量为某一个最小值的整数倍 ，，，， …，，…
（2）. 该最小值正比于频率

根据以上假设，用统计理论，求得著名普朗克黑体辐射公式：
利用该公式，可求得维恩位移定理
λm T=2.898×103 (μm·K)
和史蒂芬－玻尔兹曼定律

本实验项目的任务是用热像仪测量史蒂芬－玻尔兹曼定律。如图所示，黑体辐射经大口径红外锗透镜聚焦，入射到红外焦平面阵列探测器上，阵列探测器输出的信号送入图像采集卡， 再送入计算机内存，经过驱动软件，读出并显示红外图像。
驱动电路
图像采集卡
黑体源
红外辐射
锗透镜
红外焦平面阵列
图像信号
图像信号
计算机内存
驱动程序
图像读取、显示与处理
系统实验框图

四、实验器材：
热像仪、黑体、图像采集卡、计算机、V型调整架、适配器。
五、实验内容
1、图像灰度积分。
六、实验步骤：
1． 固定好热像仪，使镜头正对黑体辐射源的辐射孔。设定热像仪的对比度和亮度均为0（最接近0的值）对热像仪进行校准。
2. 打开黑体，设定好主回路控制值，调节好加热功率。黑体开始升温。
3. 打开采集程序，观察图像是否对准并选择好处理区域，使积分区域位于黑体辐射孔内。记录下积分区域的大小。
4. 待黑体被控对象的测量值到达待测温度后，抓取并保存图像，进行灰度积分，记录好积分结果及对应的温度值。
5. 重复步骤3．4直至测量完所有欲测的温度点。
七、实验数据及结果分析：
1. 实验数据
采集矩形的左上角坐标：X=85，Y=68; 矩形的高度为143，宽度为167；
面积：143*167=23881;
温度（C0）
（温度＋273）4
灰度和
平均灰度
100.8
19523478035
3423049
143.34
105
20415837456
3628456
151.94
110
21517662721
3805943
159.37
115
22663495936
3992571
167.19
120
23854493601
4166692
174.48
125
25091827216
4347644
182.05
130
26376683281
4534196
189.87
135
27710263296
4729467
198.04
140
29093783761
4853461
203.24
145
30528476176
4896323
205.03
150
32015587041
4903488
205.33
155
33556377856
4907267
205.49
160
35152125121
4910765
205.63
165
36804120336
4912248
205.70
170
38513670001
4913990
205.77
175
40282095616
4914928
205.81
180
42110733681
4915793
205.85
185
44000935696
4917117
205.90
190
45954068161
4917553
205.92
195
47971512576
4914346
205.78
200
50054665441
4914751
205.80
205
52204938256
4916579
205.88
210
54423757521
4918375
205.95

2. 绘出黑体辐射灰度积分与温度四次方关系曲线:

数据分析：
1、从黑体辐射灰度积分与温度四次方关系曲线的图形可以看出：（i）当温度从100.8 0C到1450C，即温度的四次方（温度＋273）4从19523478035(K^4)到30528476176（K^4），黑体辐射灰度积分和温度四次方基本满足线性关系；（ii）当温度从1450C到2100C时，黑体辐射灰度积分和温度四次方不满足线性关系，而是黑体辐射灰度积分不随温度的四次方变化,基本稳定在一个值附近。分析：根据史蒂芬－玻尔兹曼定律，黑体单位面积发射的辐射功率与其温度的四次方成正比。结合实验数据，当温度在100.80C到1450C，测得的黑体辐射功率和温度四次方成正比，满足史提芬—波尔兹曼定理；当温度在1450C到2100C，测定的黑体辐射功率基本不变，这很可能是因为我们所使用的热像仪等仪器测量达到饱和。

八、实验结论：
1、在仪器工作范围内，我们测得的黑体辐射灰度积分与温度的四次方成正比，而黑体辐射灰度积分与黑体辐射功率成正比，所以黑体辐射功率与黑体温度的四次方成正比，验证了史蒂芬—波尔兹曼定律。
九、总结及心得体会：
1、这次实验在使用热成像仪时，要注意一些操作上的顺序；在实验过程中，测量的时候并不是很复杂。
2、实验中，调节成像的清晰度十分重要，不然测出来的数据是不准确的。
3、实验过程中，一定要拉好窗帘，不然外界的光会影响实验。

十、对本实验过程及方法、手段的改进建议：
我觉得,可以不可以先不开黑体辐射源测一个当前的辐射度,就当做背景,然后在测黑体时把这个背景值减去,是不是要更准确一点。
十一、思考题
1、 在红外热成像仪的使用过程中，如何判断成像是否清楚？如果成像模糊，该怎么处理？
答：我们是利用一个比较尖的东东（实验中用的是一只笔的笔尖），放在和物体在一起的地方，从热成像仪的成像情况看，如果对于比较尖的东东成像清晰，则我们认为此时成像清楚；否则我们继续调节热成像仪的焦距。如果成像模糊，第一检查光路，看光路是否合适；第二，调节热成像仪的位置和焦距，使成像清晰。

2、在红外热成像仪中采用锗透镜或者硅材料作为窗口材料有什么优点？
答：既然要作为窗口材料，锗透镜或者硅材料必须要透过红外光波，根据半导体知识，我们知道锗透镜或者硅材料是透过红外波段的光波的。而且为了让仪器测量准确，我们自然希望窗口材料只通过红外光，其他光波就最好不要透过，就相当于是一个滤波器，在网上查的一些资料中可以看出，锗透镜或者硅材料作为窗口材料可以基本透过红外光波，对其他光波有这样的性质。