Глава 4. Физические основы измерительных преобразователей ИК диапазона

Спектральная интенсивность излучения в соответствии с законом Планка является функцией температуры и длины волны. С повышением температуры интенсивность излучения возрастает. При низкой температуре излучение в основном сосредоточено в ИК области, а при повышении температуры, согласно закону Вина, максимум интенсивности излучении смещается в область видимого света. При ядерных взрывах, например, спектр смещается в область УФ и рентгеновского излучения.

Для построения математической модели нагретого источника используют следующие соотношения. Зависимость между длиной волны и температурой подчиняется закону Планка:

,                         (4.1)

где  - излучающая способность объекта,  - константы.

Интегрирование мощности излучения по всем длинам волн пропорционально температуре в четвертой степени (закон Стефана – Больцмана для абсолютно черного тела):  

.                                          (4.2)

Полная излучающая способность с учетом того, что приемник имеет температуру, отличную от нуля, имеет вид:     

                            (4.3)

Закон смещения Вина описывает сдвиг спектрального максимума в зависимости от абсолютной температуры тела Т:   

,                                                   (4.4)

где а – константа.

В то время как длина волны излучаемого света зависит от температуры, амплитуда излучения является функцией от излучающей способности поверхности, часто называемой коэффициентом излучения ( ε ), которая изменяется в диапазоне 0…1. этот коэффициент является отношением потока излучений, исходящего от поверхности, к потоку излучений от идеального излучателя при той же самой температуре.

Существует фундаментальное соотношение, связывающее коэффициент излучения ( ε ), коэффициент отражения ( ρ ) и коэффициент пропускания ( γ):

.                                          (4.5)

Излучающая и поглощающая способности являются одной и той же физической величиной. Поэтому для не пропускающего излучение тела (γ = 0) справедливо следующее соотношение:

.                                           (4.6)

Закон Стефана-Больцмана определяет мощность излучения, испускаемого поверхностью с температурой (Т) в пространство с Т = 0. При измерении тепловых излучений необходимо также учитывать излучение от датчика к объекту, так как датчик способен определять только полезную мощность теплового излучения (разность между мощностью излучения объекта и мощностью излучения самого датчика).

Рисунок 4.1 Принцип работы теплового преобразователя

Излучающая способность среды является функцией ее диэлектрической проницаемости и, следовательно, коэффициента преломления ( ). Максимальная излучающая способность для абсолютно черного тела равна единице (ε = 1). Причиной такого названия является внешний вид объекта при нормальной комнатной температуре. Если тело является непрозрачным (γ = 0) и ничего не отражает (ρ = 0), то оно представляет собой идеальный источник и поглотитель электромагнитных излучений.    

4.1 Общая характеристика излучения ИК диапазона

Излучающая способность реальных объектов зависит от длины волны излучения. Например, белый лист бумаги в видимом диапазоне спектра обладает очень хорошей отражающей способностью и почти не излучает видимого света. Но в дальнем спектре ИК диапазона его отражающая способность значительно снижается, а излучающая способность резко возрастает, что делает бумагу хорошим источником ИК излучений.

Рисунок 4.2 Зависимость от длины волны излучающей способности различных материалов

Полиэтилен сильно поглощает и излучает волны очень узкого диапазона, а в других областях спектра является прозрачным (неизлучающим) материалом. Поэтому широко используется для изготовления линз дальнего ИК диапазона,

Часто излучающую способность в сравнительно узком спектральном диапазоне тепловых излучений считают постоянной величиной. Но для различных материалов излучающая способность зависит от длины волны излучения и поэтому при необходимости осуществления прецизионных измерений должна быть заранее известной.

Все неметаллические материалы являются хорошими источниками диффузионного теплового излучения (и поглощения) в пределах телесного угла ( ). За границами этого угла коэффициент излучения резко снижается. Это правило справедливо только для длин волн дальнего спектра ИК диапазона и не применимо для видимого света. Диаграмма излучения металла в сильной степени зависит от качества поверхности.

Рисунок 4.3 Диаграмма направленности излучений для неметалла (А) и полированного металла (Б)

В отличие от большинства твердых тел газы, чаще всего, являются прозрачными для теплового излучения. Кислород и азот состоят из симметричных неполярных молекулярных структур, поэтому пропускают электромагнитные волны только при низких температурах, в то время как углекислый газ, пары воды, углеводородные газы излучают и поглощают волны в более широком диапазоне. При попадании ИК излучения в слой газа происходит поглощение светового потока по экспоненциальному закону.

Следует отметить, что газы поглощают излучение только в узких диапазонах спектра. Например, водяной пар имеет высокий коэффициент поглощения на длинах волн 1,4; 1,8; и 2,7мкм и является практически прозрачным на других длинах волн.

При использовании ИК-датчиков для бесконтактного измерения температуры необходимо знать излучающую способность объекта. Поэтому для калибровки термометров данного типа необходимо использовать эталонные источники теплового излучения, у которых коэффициент излучения близок к единице. Несоблюдение этого условия приведет к большим отражениям сигнала, что обусловит появление дополнительной составляющей погрешности измерений.

Тепловые самосветящиеся объекты, такие как солнце, лампы накаливания и расплавленные металлы, дают излучение непрерывного спектра подобно излучению абсолютно черного тела. Однако, особенно при низких температурах, степень подобия их эмиссии к излучению абсолютно черного тела может быть невелика.

Излучательная способность (ε) зависит от температуры тела и от длины волны света:

Рисунок 4.4  Характеристики излучающей способности объектов измерения.

 

⇐ Предыдущая17181920212223242526Следующая ⇒

Поделиться: