黑體輻射定律測量

黑體輻射定律測量黑體輻射定律測量 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 報報 告告 課程名稱課程名稱 紅外與微光紅外與微光 姓姓 名名 學(xué)學(xué) 號號 一 實(shí)驗(yàn)名稱 一 實(shí)驗(yàn)名稱 黑體輻射功率與溫度關(guān)系測量 二 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康?1 掌握黑體輻射理論 2 了解空腔黑體 3 了解熱像儀使用 三 原理三 原理 黑體輻射理論是二十世紀(jì)初光量子理論的重要起源之一 普朗克 Planck 針對黑體輻射提出了光不連續(xù)的能量假設(shè) 成功解釋了黑體輻射的光譜分布 是 光量子的最重要的證據(jù) 黑體輻射理論不僅是量子力學(xué)和光量子理論的重要基礎(chǔ) 依據(jù) 黑體輻射的重要結(jié)論也是現(xiàn)代測量的重要基礎(chǔ) 所謂黑體是指入射的電磁 波全部被吸收 既沒有反射 也沒有透射 當(dāng)然黑體仍然要向外輻射 顯然自 然界不存在真正的黑體 但有些物體在某些波段上是較好的黑體 例如圖 1 所 示的空腔 腔體上開有一個小孔 波長遠(yuǎn)小于小孔光從小孔入射后 由于腔壁的多 次吸收 光基本上被全部吸收 當(dāng)腔體保持一定的溫度時 黑體以確定的譜分布 向外輻射電磁能量 圖 1 空腔黑體 光從小孔入射進(jìn)空腔 腔壁多次吸收光被幾乎全部吸收 為了解釋所示黑體輻射分布 普朗克 Palnck 提出了如下模型 1 空腔黑體中的每一個電磁波模式 頻率為 的可能能量為某一個最小 值的整數(shù)倍 0 1 2 3 n 2 該最小值正比于頻率 h 根據(jù)以上假設(shè) 用統(tǒng)計理論 求得著名普朗克黑體輻射公式 1 exp 8 5 Tkhc dhc d B 利用該公式 可求得維恩位移定理 m T 2 898 103 m K 和史蒂芬 玻爾茲曼定律 4 TTW 0 428 3 4 33 10687 5 1 exp 8 KmW x dxx k ch B 本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的任務(wù)是用熱像儀測量史蒂芬 玻爾茲曼定律 如圖所示 黑 體輻射經(jīng)大口徑紅外鍺透鏡聚焦 入射到紅外焦平面陣列探測器上 240320 陣列探測器輸出的信號送入圖像采集卡 再送入計算機(jī)內(nèi)存 經(jīng)過驅(qū)動軟件 讀出并顯示紅外圖像 驅(qū)動 電路 圖像采集 卡 黑體源 紅外輻射 鍺透鏡 紅外焦平面陣列 圖像信號 圖像信號 計算機(jī)內(nèi)存 驅(qū)動程序 圖像讀取 顯示 與處理 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)框圖 四 實(shí)驗(yàn)器材 四 實(shí)驗(yàn)器材 熱像儀 黑體 圖像采集卡 計算機(jī) V 型調(diào)整架 適配器 五 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容五 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1 圖像灰度積分 六 實(shí)驗(yàn)步驟 六 實(shí)驗(yàn)步驟 1 固定好熱像儀 使鏡頭正對黑體輻射源的輻射孔 設(shè)定熱像儀的對比度和 亮度均為 0 最接近 0 的值 對熱像儀進(jìn)行校準(zhǔn) 2 打開黑體 設(shè)定好主回路控制值 調(diào)節(jié)好加熱功率 黑體開始升溫 3 打開采集程序 觀察圖像是否對準(zhǔn)并選擇好處理區(qū)域 使積分區(qū)域位于黑體 輻射孔內(nèi) 記錄下積分區(qū)域的大小 4 待黑體被控對象的測量值到達(dá)待測溫度后 抓取并保存圖像 進(jìn)行灰度積分 記錄好積分結(jié)果及對應(yīng)的溫度值 5 重復(fù)步驟 3 4 直至測量完所有欲測的溫度點(diǎn) 七 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析 七 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析 1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 采集矩形的左上角坐標(biāo) X 85 Y 68 矩形的高度為 143 寬度為 167 面積 143 167 23881 溫度 C0 溫度 273 4灰度和平均灰度 100 8195234780353423049143 34 105204158374563628456151 94 110215176627213805943159 37 115226634959363992571167 19 120238544936014166692174 48 125250918272164347644182 05 130263766832814534196189 87 135277102632964729467198 04 140290937837614853461203 24 145305284761764896323205 03 150320155870414903488205 33 155335563778564907267205 49 160351521251214910765205 63 165368041203364912248205 70 170385136700014913990205 77 175402820956164914928205 81 180421107336814915793205 85 185440009356964917117205 90 190459540681614917553205 92 195479715125764914346205 78 200500546654414914751205 80 205522049382564916579205 88 210544237575214918375205 95 2 繪出黑體輻射灰度積分與溫度四次方關(guān)系曲線 數(shù)據(jù)分析 1 從黑體輻射灰度積分與溫度四次方關(guān)系曲線的圖形可以看出 i 當(dāng)溫度 從 100 8 0C 到 1450C 即溫度的四次方 溫度 273 4從 19523478035 K 4 到30528476176 K 4 黑體輻射灰度積分和溫度四次方基本滿足線性關(guān)系 ii 當(dāng)溫度從 1450C 到 2100C 時 黑體輻射灰度積分和溫度四次方不滿足線 性關(guān)系 而是黑體輻射灰度積分不隨溫度的四次方變化 基本穩(wěn)定在一個值附近 分析 根據(jù)史蒂芬 玻爾茲曼定律 黑體單位面積發(fā)射的輻射功率 4 TTW 與其溫度的四次方成正比 結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 當(dāng)溫度在 100 80C 到 1450C 測得的 黑體輻射功率和溫度四次方成正比 滿足史提芬 波爾茲曼定理 當(dāng)溫度在 1450C 到 2100C 測定的黑體輻射功率基本不變 這很可能是因?yàn)槲覀兯褂玫?熱像儀等儀器測量達(dá)到飽和 八 實(shí)驗(yàn)結(jié)論 八 實(shí)驗(yàn)結(jié)論 1 在儀器工作范圍內(nèi) 我們測得的黑體輻射灰度積分與溫度的四次方成正比 而黑體輻射灰度積分與黑體輻射功率成正比 所以黑體輻射功率與黑體溫度的 四次方成正比 驗(yàn)證了史蒂芬 波爾茲曼定律 九 總結(jié)及心得體會 九 總結(jié)及心得體會 1 這次實(shí)驗(yàn)在使用熱成像儀時 要注意一些操作上的順序 在實(shí)驗(yàn)過程中 測 量的時候并不是很復(fù)雜 2 實(shí)驗(yàn)中 調(diào)節(jié)成像的清晰度十分重要 不然測出來的數(shù)據(jù)是不準(zhǔn)確的 3 實(shí)驗(yàn)過程中 一定要拉好窗簾 不然外界的光會影響實(shí)驗(yàn) 十 對本實(shí)驗(yàn)過程及方法 手段的改進(jìn)建議 十 對本實(shí)驗(yàn)過程及方法 手段的改進(jìn)建議 我覺得 可以不可以先不開黑體輻射源測一個當(dāng)前的輻射度 就當(dāng)做背景 然后在 測黑體時把這個背景值減去 是不是要更準(zhǔn)確一點(diǎn) 十一 思考題十一 思考題 1 在紅外熱成像儀的使用過程中 如何判斷成像是否清楚 如果成像模糊 該怎么處理 答 我們是利用一個比較尖的東東 實(shí)驗(yàn)中用的是一只筆的筆尖 放在和 物體在一起的地方 從熱成像儀的成像情況看 如果對于比較尖的東東成像 清晰 則我們認(rèn)為此時成像清楚 否則我們繼續(xù)調(diào)節(jié)熱成像儀的焦距 如果 成像模糊 第一檢查光路 看光路是否合適 第二 調(diào)節(jié)熱成像儀的位置和 焦距 使成像清晰 2 在紅外熱成像儀中采用鍺透鏡或者硅材料作為窗口材料有什么優(yōu)點(diǎn) 答 既然要作為窗口材料 鍺透鏡