红外辐射测温理论第01章.ppt
- 文档编号:18837778
- 上传时间:2024-01-04
- 格式:PPT
- 页数:70
- 大小:1.38MB
红外辐射测温理论第01章.ppt
《红外辐射测温理论第01章.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《红外辐射测温理论第01章.ppt(70页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
红外辐射测温技术,绪论,红外辐射,从波长很长的无线电波到波长很短的宇宙射线都是不同波长的电磁波,或称为电磁辐射。
电磁波:
=c,光速:
式中:
波长m;频率s-1;c电磁波传播速度m/s,真空中:
c=3108m/s,红外辐射,红外技术是研究红外波段内电磁波的规律并使其应用的一门现代技术。
(热效应最显著),要点:
“红外辐射是人眼看不见的光线”;“红外辐射就是热辐射”“对红外线的研究也属于光学范畴。
”,军事侦察、监视、预警与跟踪;红外制导;红外通信;军用夜视仪;探测隐身飞行器。
红外技术的应用:
红外测温;红外遥控;红外医疗;红外加热;红外光谱技术。
军事方面:
民用方面:
红外辐射,测温技术,温度测量的方法:
辐射测温特点:
响应速度快;分辨率高;适用于旋转、移动物体;热容量小的物体;腐蚀性场合;接触式测温无法使用的场合。
优点:
焊接、炉窑、焦化、电力(变压器)感应加热、塑料、玻璃金属挤压成型热处理和退火,应用:
电力、冶金、化工橡胶等领域,测温技术,温度测量的方法:
辐射测温特点:
只能测得亮度温度或辐射温度;外来光干扰(外部热源)和光路中干扰(水蒸汽、尘埃等);被测表面发射率变化,这是一个难题;需适时用黑体炉检定或校验。
缺陷:
(1)红外辐射基本理论
(2)工业黑体辐射源(3)黑体空腔有效发射率(4)黑体空腔积分发射率和有效温度(5)辐射测温仪表(6)辐射测温技术应用,内容简介,相关知识:
红外物理红外光学红外探测器信号处理技术,第一章红外辐射基本理论,1.1红外辐射的一般概念,波长在0.140m范围内的电磁波(包括可见光和红外线的短波部分)热效应最显著,所以把这部分波长的电磁波称为热射线或热辐射。
任何温度超过热力学温度零开尔文的物体都能发射热辐射;热辐射是一种电磁波。
1.辐射的吸收、反射、透过及绝对黑体,Q0入射能量Q反射能量Q吸收能量Q透过能量,或,1时,全反射镜体(反射服从一定规律)绝对白体(反射无规律);1时,绝对黑体,简称黑体;1时,绝对透明体。
式中:
吸收率,反射率,透过率,2.热辐射的基本定律,为了从数量上表示物体的辐射能力,引入该物理量。
辐射功率E:
单位时间内从单位表面积上向半球空间各方向发射的全部波长的总辐射能量,单位W/m2,用E表示。
单色辐射功率E:
单位时间内从单位表面积上向半球空间各方向发射的某特定波长的单位波长宽度内的能量,单位W/m2,用E表示。
若波长+范围内的辐射功率用E表示,则E可表示为:
辐射功率和单色辐射功率关系:
W/(m2.m),W/m2,黑体:
其辐射功率和单色辐射功率用符号Eb和Eb表示。
2.1普朗克定律,单位面积黑体在半球面方向、单位时间的光谱辐射通量是波长和黑体温度的函数。
C1第一辐射常数,,C2第二辐射常数,,波长,mT绝对温度,KK玻耳兹曼常数,1.38066210-23J/Kh普朗克常数,6.62617610-34J.sc电磁波在真空中的传播速度,3108m/s,式中,,20300范围内黑体单色辐通量,波长,单色辐射功率,300,280,250,220,200,180,150,120,100,80,50,20,2.2维恩公式,早在普朗克定律建立之前,1894年维恩就提出了黑体单色辐射功率公式。
普朗克公式,与普朗克公式相比,当“T”较小时,则有,维恩位移定律:
由普朗克定律可知,在任意温度下,黑体光谱辐射通量都有一个最大值,最大值对应的波长称为峰值波长m,将维恩公式对求导,令其等于0,则可得:
(m.K),温度越高,则峰值波长m越小。
例:
钢坯表面颜色对温度的变化;若测量温度为1600左右的物体表面温度,根据维恩公式计算可得:
在选择辐射测温仪器的工作波段时最好在该波段附近。
在一般工业温度范围内,单色辐射功率m都处于红外波段内。
(m),2.3斯蒂芬玻耳兹曼定律(全辐射定律),式中,斯蒂芬-玻耳兹曼常数,,普朗克公式给出了绝对温度为T的黑体,单色辐射通量随波长的分布,若从零到无穷大的波长范围内对普朗克公式积分,就得到绝对温度为T的黑体,单位面积向半球空间发射的全波长范围内的辐射通量。
d,2.4兰贝特定律余弦辐射定律(定向辐射强度),为了描述辐射能在空间不同方向上的分布规律,引出定向辐射强度的概念。
在单位时间内发射出的单位可见辐射面积对应的单位立体角内所包围的辐射能称为定向辐射强度。
(W/(srm),Ip与辐射面法线成角的p方向上的定向辐射强度。
dQpdA在与其法线成角的p方向上,在单位时间内d内发射出的辐射能。
式中:
在半球空间,各个方向上的定向辐射强度都相等,即,兰贝特定律:
IpImInI,这种定向辐射强度与方向无关的规律称为兰贝特定律。
黑体是完全符合兰贝特定律的辐射体。
将前面式子改写,有:
黑体单位面积向空间不同方向发射的辐射能与该方向和法线的夹角的余弦成正比。
兰贝特定律又称为余弦定律。
说明:
定向辐射强度与辐射功率的关系:
即对定向辐射强度,在半球范围内进行积分,,对于半球面上所截微元面积df,可看成是微矩形面积,则其边长可表示为rd和rsind,,df=r2sindd,半球辐射功率是任何方向上定向辐射强度的倍。
(兰贝特的辐射体),实际物体、黑体和灰体的辐射,实际辐射表面单色辐射功率按波长分布是不规则的,而且在同一温度下实际辐射表面单色辐射功率总是小于对应波长下黑体单色辐射功率。
引入发射率(黑体系数):
相同温度下,实际物体的半球总辐射能与黑体半球总辐射能之比。
3.实际辐射表面和基尔霍夫定律,实际物体、黑体和灰体的辐射,单色发射率(黑体系数)b:
黑体:
灰体:
实际物体:
其随波长而变化。
说明:
发射率与物质种类、表面状态(粗糙度、氧化度等)、温度等因素有关。
基尔霍夫定律:
若两表面处于动平衡,则T1T2:
说明:
善于发射的物体也一定善于吸收。
同理,基尔霍定律也适用于单色辐射,即:
实际物体空间辐射特性:
为要表明一些实际物体在空间各不同方向的辐射特性,引进定向发射率的概念。
式中:
物体的定向发射率,表示辐射方向与表面法线之间的夹角;,物体在该方向的定向辐射强度;,同温度下黑体在该方向的定向辐射强度。
黑体完全遵守兰贝特定律。
实际表面只是近似地服从兰贝特定律,就是说实际表面的定向辐射强度或定向发射率与方向有关。
从表面的法线开始在一定角度范围内,定向发射率不变化;然后随着角度的增加而增大,在角接近90时,值急剧减小。
不变化,金属导体材料,非导体材料,表面法线方向上的定向发射率最大;在离开法线相当大的角度范围内,变化不大;当角度大约超过60以后,值才明显减小;当90时,值变为零。
物体发射率的一般变化规律:
(1)对于兰贝特辐射体,三种发射率n、和h(半球发射率)相等。
对于电绝缘体,h/n在0.951.05之间,其平均值为0.98,对这种材料,在角不超过65或70时,与n仍然相等。
对于导电体,h/n在1.051.33之间,对大多数磨光金属,平均值为1.20,即半球发射率比法向发射率约大20%,当角超过45时,与n差别明显。
(2)金属的发射率是较低的,但它随温度的升高而增高,并且当表面形成氧化层时,可以成10倍或更大倍数地增高。
(3)非金属的发射率要高些,一般大于0.8,并随温度的增加而降低。
(4)金属及其他非透明材料的辐射,发生在表面几微米内,因此发射率是表面状态的函数。
涂敷或刷漆的表面发射率是涂层本身的特性,而不是基层表面的特性。
对于同一种材料,由于样品表面条件的不同,测得的发射率值会有差别。
(5)介质的光谱发射率随波长变化而变化。
在红外区域,大多数介质的光谱发射率随波长的增加而降低。
在解释一些现象时,要注意此特点。
例如,白漆和涂料TiO2等在可见光区有较低的发射率,但当波长超过3m时,几乎相当于黑体。
用它们覆盖的物体在太阳光下温度相对较低,这是因为它不仅反射了部分太阳光,而且几乎像黑体一样的重新辐射所吸收的能量。
而铝板在直接太阳光照射下,相对温度较高,这是由于它在10m附近有相当低的发射率,因此不能有效地辐射所吸收的能量。
各种材料的光谱发射率,4.组成封闭空间两物体的辐射换热,4.1有效辐射,固有辐射:
投射辐射:
G,反射辐射:
吸收辐射:
有效辐射(J)=固有辐射+反射辐射,W/m2,物体表面能量收支差额q:
从物体内部角度看:
从物体外部角度看:
整理上两式,消去G,可得:
根据基尔霍夫定律,上式可写为:
4.2封闭空间内两物体间的辐射换热,模型:
灰体:
表面积、温度和发射率A1,T1,1平或凸表面灰体:
表面积、温度和发射率A2,T2,2包围,表面的有效辐射A1J1可全部到达表面上;表面的有效辐射A2J2只有一部分投射到表面上,,设其所占的百分数为F21(称为对的角系数),其余部分投射在自己的表面上,,两个表面间的换热量可表示为:
(a),根据有效辐射公式,可以分别写出表面、的有效辐射能量:
式中Q1和Q2分别表示表面和损失的能量,,换热只在两个面之间进行,在稳定的情况下,有:
代入(a)中,,整理可得:
(适用于任何温度),为确定角系数F21,设T1=T2,则此时有Q1-2=0,可以求出:
代入上式可得:
说明:
(1)当A2A1时,即A1/A20,则,用于计算小物体在大包壳内的能量损失,如:
热电偶测量管道内的温度。
(2)当A2A1时,则,用于计算两个平行表面间的辐射换热量。
5.气体辐射和吸收,5.1气体辐射的特点,作为各种燃烧产物主要成分的三原子气体二氧化碳和水蒸汽,具有较强烈的吸收与辐射能力。
与固体、液体的辐射相比,气体辐射具有下面两个显著特点:
(1)气体辐射对波长有选择性,
(2)气体的辐射与吸收是在整个容积中进行,气体不象一般固体那样具有连续的辐射光谱,而只是在某些波段范围内才具有辐射与吸收能力,这些波段称为光带。
投到气体界面上的辐射能可以传播到气体内的一切地方。
气体的辐射及吸收能力与气体所处容积的形状及容积尺寸有关。
5.2气体的吸收定律,布尔定律:
式中,K气体的单色吸收系数,它与气体的种类、状态(温度、压力)等有关。
一束具有强度为Ix的单色辐射穿过厚度为dx的气体层时,所减弱的单色辐射强度dIx与微元气体层厚度dx和单色辐射强度Ix乘积成正比。
对于温度和压力都均匀的气体,对上式积分,,单色辐射强度在吸收性气体中传播是按指数规律衰减;传播的气体层越厚,即l越大,辐射强度被衰减的越大;若l大到一定值时,没有能量穿过,则光线的辐射能全部被吸收,相当于黑体。
式中,,在x=0处的单色辐射强度;,射线穿过厚度l时单色辐射强度。
说明:
5.3红外辐射在大气中的传输,衰减因素:
0.20.32m紫外光谱范围,光吸收与臭氧的分解作用有联系;在紫外和可见光谱区域中,由氮分子和氧分子所引起的瑞利(Rayleigh)散射是必须要考虑的;粒子散射或米(Mie)氏散射。
大气中某些元素原子的共振吸收;分子的带吸收是红外辐射衰减的重要原因。
(1)大气窗口,大气中的主要吸收气体由水蒸气、二氧化碳、和臭氧等。
水蒸气水蒸气在大气中,尤其在低层大气中的含量较高,是对红外辐射传输影响较大的一种大气成分。
二氧化碳随着高度的增加,二氧化碳对红外辐射的吸收虽然减少,但不如水蒸气吸收减少得那么显著。
在高空,水蒸气的吸收退居次要地位,二氧化碳的吸收变得更重要了。
臭氧臭氧在大气中的形成和分解过程,决定了臭氧的浓度分布以及臭氧层的温度。
大气窗口:
1.41.85、22.5、3.34、8-14m,避开CO2和H2O蒸汽对能量的吸收,辐射在大气中传输时,除因分子的选择性吸收导致辐射能衰减外,辐射还会在大气中遇到气体分子密度的起伏及微小微粒,使辐射改变方向,从而使传播方向的辐射能减弱,这就是散射。
一般说来,散射比分子吸收弱,随着波长增加散射衰减所占的地位逐渐减少。
但是在吸收很小的大气窗口波段,相对来说散射就是使辐射衰减的主要原因。
(2)大气的散射衰减,6.辐射换热角系数,6.1角系数的基本概念,模型:
辐射系统由两个任意布置的黑体表面组成,两表面之间的介质对热辐射是透明的。
两表面的面积和温度各为Al、Tl和A2、T2,系统中每个表面辐射出的能量都只有部分到达另一个表面,其余部分则辐射到系统以外的空间去了。
6.辐射换热角系数,研究上述A1和A2两个面积上的微元面积dA1和dA2之间的辐射换热问题。
问题分析:
(1)一个微元面积投向另一个微元面积的辐射能,(根据定向辐射强度的定义),根据兰贝特定律,有,代入上式,得,
(2)微元面dA1和dA2间相互投射的能量为:
12,21,根据立体角的定义,有:
将d1和d2代入前式,有:
(3)微元面dA1和dA2之间的辐射换热量差,任意放置的两微元黑体表面间的辐射换热量:
与两者温度T有关外,还与两表面的大小dA以及相互位置、距离r等几何因素有关。
说明:
角系数:
为了表示或计算几何因素的影响,特引入辐射换热角系数(以后简称角系数)的定义。
从表面l辐射出来到达表面2的能量与表面1辐射出来的全部能量之比值称为表面1对表面2的角系数,并以符号F12表示(两个有限大的表面)。
按角系数定义,两个微元面dAl对dA2的角系数为:
该式即为任意布置的两微元面间角系数的定义。
6.2辐射换热系数的基本特性,
(1)等值性,只要从dA1看这些物体的轮廓构成同一个立体角,dA1对这些物体的角系数是相等的。
以dA1为中心,,面积A3所对的立体角为:
面积A2所对的立体角为:
显然,两个立体角相等,,dA1A2的能量:
dA1A3的能量:
式中,dF表示微元面对有限面的角系数。
根据角系数的等值性,在计算角系数时,曲面可以用它的投影来代替,使问题得到简化。
应用:
例:
右图所示,根据角系数等值性,微元面dA对半球面ABCD的角系数等于的dA对圆盘ABCD的角系数,而对后者的求解要简便得多。
(2)互换性,微元面角系数互换性,根据两微元面间角系数的定义有:
dA1dA2的角系数:
dA2dA1的角系数:
将
(1)dA1,
(2)dA2,有:
这就是微元面角系数互换性关系式。
微元面对有限面角系数互换性,dA1A2的角系数:
A2dA1的角系数:
由上面两式,可以推出:
两个有限面角系数互换性,A1A2的角系数:
A2A1的角系数:
由上面两式,可以推出:
说明:
A2A1的辐射能:
若,,则,也就是说A1、A2间的热交换是相等的,与它们的面积大小无关。
A1A2的辐射能:
(3)可加性,两个有限黑体面Al与A2间的辐射换热情况。
Al辐射到A2的能量等于Al辐射到A2各个部分能量的总和,若将A2分成两部分A3和A4,则,应用:
可简化角系数的计算。
将复杂表面分成几个较简单表面,然后利用可加性进行计算。
(4)完整性,若一个物体被周围物体包围,则其辐射出的能量全部投射到包围它的周围物体上,则有:
(凸表面物体),式中,Qk物体k的总辐射能;Qki物体k辐射到物体i上的辐射能;Fki物体k对物体i的角系数。
对于封闭体系:
*如果物体k不是平或凸表面,则它辐射出的能量有一部分投射到自己本身,则上式中还应加上Fkk一项。
例:
由三个凸形表面组成的无限长槽道的角系数。
已知:
它们的面积分别为Al、A2和A3,在横截面上它们对应的周边长分别为Ll、L2和L3。
对于表面Al:
同理,表面A2:
表面A3:
应用角系数互换性原理,有,解方程有:
6.3微分已知角系数,求解未知角系数方法,例:
如图所示一正方形通道,今欲求其端面一角上的微元面dAl对通道内壁长度方向的微元面dA2的角系数。
。
dAl辐射到dA2上的能量等于dA1辐射到A3和A4的差(根据角系数等值性原理),,当x0时,有,只要知道dAl对正方形A的角系数的表达式,,即可通过微分来求出dAl对dA2的角系数。
例:
微分方法,适用于横截面为任意形状的通道。
已知:
通道内两个平行平面A1和A2,其角系数为F12。
(1)有限面A1与dA2间的角系数:
根据角系数互换性,,有:
dA2对A1的角系数:
(2)微元面dA2与dA1间的角系数,dA2dA1,dA1dA2,6.4典型面之间角系数的计算,根据两有限大面积间的角系数公式有:
(1)同轴平行两圆盘间角系数,式中:
dA1点(x1,y1),dA2点(x2,y2),x1=r1cos1,y1=r1sin1,x2=r2cos2,y2=r2sin2,代入原式,有,解四重积分可得,,
(2)锥体腔壁两平行微元环间角系数,锥形腔常被选作为黑体空腔的组成部分,在它的壁面上两平行微元环之间的角系数d2Fdx,d是计算黑体空腔有效发射率的重要参数。
圆盘1,在x=处,圆盘2,在x=x处,,则两个圆盘间角系数公式中,,由两圆盘间角系数公式,有,处圆盘对dx宽微元环的角系数,可以微分得到,,同理,可以推出dx宽微元环对d处微元环的角系数,,(3)圆筒腔两平行微元环间角系数,当锥体腔壁两平行微元环间角系数公式中0时,锥形腔就变成了圆筒腔。
同理,可以推出dx宽微元环对d处微元环的角系数,,这时,(3)圆筒腔两平行微元环间角系数,(4)球腔内表面两微元面间角系数,微元面间角系数公式,有,从图中可以看出:
代入原式,有,(4)圆筒顶面上微元环对同轴圆筒上微元环的角系数,式中,为dr微元环对处圆盘的角系数。
根据互换性,有,式中,,为处半径为R的圆盘对半径为r的圆盘角系数,,同理,,圆筒顶面上微元环dr对同轴圆筒上微元环d的角系数,将圆盘对圆盘角系数公式F,r代入上式,可得:
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 红外 辐射 测温 理论 01