中国石油大学 智能仪器 实验报告 成 绩：
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【实验目的】
1. 了解红外线的辐射与吸收，通过改变红外辐射的强度来验证维恩位移定律和斯蒂芬——玻耳兹曼定律。
2. 学习红外辐射计的使用。
【实验原理】
1. 黑体辐射
如果一个物体吸收任何波长全部辐射的能力等于它向外辐射的能力，这个物体就称之为黑体。黑体能够吸收它辐射的全部能量，相同温度下的各种物体以黑体向外辐射的能量最大。自然界的所有物体对于投射到自身的辐射能量，都有不同程度的吸收、反射和透射能力。设外界透射到物体表面的总能量为，其中一部分能量被物体吸收，另一部分能量被物体反射，其余能量穿透物体。根据能量守恒定律有： 其中：——物体对辐射的吸收率；——物体对辐射的反射率；
——物体对辐射的透射率；
对于黑体来说，在任何温度下对于任何波长的辐射能量的吸收率等于1，即：，，。黑体的辐射率，如果物体的辐射率，则该物体称之为灰体。
黑体的普朗克定律：定义为单位表面积的黑体，以特定波长在单位波长间隔内，向周围空间辐射的辐射度。表示为：
； （7-1）
式（7-1）中：——波长，；
——热力学温度，；
——第一辐射常数，；
——第二辐射常数，；
其中：——真空中的光速，；
——普朗克常数，；
——玻耳兹曼常数，。
图7-1为黑体的光谱辐射度，它与温度和波长有关。
图7-1 黑体的光谱辐射度
由图7-1可以看出，对于任一特定温度下，黑体的光谱辐射度均存在一个极大值，随着温度的升高，向短波长方向移动，这称为维恩位移定律。
将普朗克公式对波长求导数，令其导数等于零，取得极大值，即得到维恩公式：
（7-2）
表1 物体的热力学温度和红外辐射峰值波长关系
温度和波长 辐射体 | 温度 | 波长 |
太阳 | 6000 | 0.48 |
www.10wk白炽灯 | 1000 | 2.90 |
开水锅炉 | 373 | 7.77 |
常温下的物体（） | 295 | 9.82 |
| | |
表1列出了部分物体的热力学温度和红外辐射峰值波长的关系。
将普朗克公式从0~积分，可得到黑体的全部辐射强度：
（7-3）
这称之为斯蒂芬-玻耳兹曼定律。
式（7-3）中：——斯蒂芬-玻耳兹曼常数，。
2. 非黑体辐射
由于物体的辐射率为特定温度下物体的辐射能量与同温度黑体辐射能量之比。因此，作为灰体和选择性辐射体的常见物体的辐射率，一般金属材料的辐射率不仅与温度有关，而且还与辐射体的表面状态、颜等因素有关，表2列出了部分材料的（相对）辐射率。
表2 部分材料的（相对）辐射率
温度与辐射率 物体材料 | | |
抛光铝板 | 100 | 0.05 |
抛光钢材 | 100 | 0.07 |
抛光铸铁 七月的天山教学设计 | 40 | 0.21 |
无光黑漆 | 40~95 | 0.96~0.98 |
混凝土 | 20 | 0.92 |
雪 | -10 | 0.85 |
人的皮肤（任何肤） | 32 | 0.98 |
| | |
3. 红外测温原理
由于物体的热辐射强度与温度的4次方成正比，因此，当物体表面有微小的温度变化时，红外探测器的输出信号将有较大的变化。红外探测器的输出信号与接受到的辐射强度成正比，即与温度的4次方成正比，这十分有利于测量物体表面的温度分布。红外测温广泛应用于炼钢、保安、军事和无损探伤等领域。 4. 红外检测仪器及设备
红外检测常用设备为热像仪和红外辐射计。热像仪由摄像部分和显示部分所组成，热像仪的温度分辨率可以达到，测温范围几百度。红外辐射计用于对测量视场内某一波段的红外辐射进行测量，红外辐射计的测量视场一般为，温度分辨率，测温范围较宽，机内装有标准黑体，用于对辐射率进行补偿。
【实验装置】
红外辐射计、红外线电炉、秒表等。
【实验内容】
1. 红外线炉盘中央温度与辐射波长的测量：
将红外线电炉的调温旋钮调到最大，接通电源，红外辐射计打出激光束对准炉盘中央，每隔2分钟测量一次炉盘中央温度，共测20次，记录数据入表7-1并计算炉盘中心区域不同温度下的辐射波长。
2. 测量钢材灰体的温度与辐射强度：
将常温下的钢板放到红外线炉盘中央上方，用红外线炉加热钢板，在钢板的另一侧用红外辐射计测量钢板中心区域的温度，每隔2分钟测量一次，共测20次，记录数据入表7-2并计算钢板中心区域不同温度下的辐射强度。
注意：①每次测温点位置要固定；②用红外辐射计每次测量时间≤5秒钟。
【数据记录及处理】
1. 红外线炉盘中央温度与辐射波长的测量
表7-1 红外线炉盘中央温度与辐射波长的测量
时间/min | 温度 | 波长/ | 时间/min | 温度 | 波长/ |
℃ | K | ℃ | K |
0 | 46.1 | 319.2 | 民事案件案由规定 9.08 | 20 | 303.6 | 576.7 | 5.02 |
2 | 93.9 | 367.0 | 7.90 | 22 | 311.9 | 585.0 | 4.95 |
4 | 136.9 | 410.0 | 7.07 | 24 | 324.7 | 597.8 | 4.85 |
6 | 173.9 | 447.0 | 6.48 | 26 | 327.8 | 600.9 | 4.82 |
8 | 206.3 | 479.4 | 6.04 | 28 | 333.0 | 606.1 | 4.78 |
10 | 230.7 | 503.8 | 5.75 | 30 | 336.1 | 609.2 | 4.76 |
12 | 252.3 | 525.4 | 5.52 | 32 | 340.4 | 613.5 | 我是凡客 4.72 |
14 | 276.4 | 549.5 | 5.27 | 34 | 342.2 | 乌鲁木齐亚欧博览会615.3 | 4.71 |
16 | 285.7 | 558.8 | 5.19 | 36 | 342.8 | 615.9 | 4.70 |
18 | 296.5 | 569.6 | 5.09 | 38 | 342.9 | 616.0 | 4.70 |
| | | | | | | |
1. ）作T—t曲线，分析炉盘中心温升与时间的关系。
炉盘中心温度随时间而升高，在炉盘温度达到580K时，温度增加的趋势变缓。
2. ）作T--曲线，分析温度与黑体辐射波长的关系，验证维恩位移定律。
从图中看出：温度越低，辐射波长越大。
2. 钢板中心区域温升速率的测量
表7-2 钢板中心区域温升速率的测量
时间/min | 温度 | 辐射强度M W/m2 | 时间/min | 温度 | 辐射强度M W/m2 |
℃ | K | ℃ | K |
0 | 21.6 | 294.7 | 385.2 | 20 | 172.1 | 445.2 | 2005.6 |
2 | 29.1 | 302.2 | 425.9 | 22 | 182.2 | 455.3 | 2193.9 |
4 | 45.4 | 318.5 | 525.5 | 24 | 191.4 | 464.5 | 2376.6 |
6 | 65.4 | 338.5 | 670.4 | 26 | 198.9 | 472.0 | 2533.8 |
8 | 84.7 | 357.8 | 836.8 | 28 | 206.4 | 479.5 | 2698.7 |
10 | 102.9 | 376.0 | 1020.5 | 30 | 213.2 | 486.3 | 2855.1 |
12 | 119.7 | 392.8 | 1215.4 | 32 | 218.2 | 491.3 | 2974.3 |
14 | 134.6 | 407.7 | 1410.6 | 34 | 223.1 | 496.2 | 3094.8 |
16 | 148.6 | 421.7 | 1614.5 | 36安丘地震 | 227.4 | 500.5 | 3203.4 |
18 | 160.8 | 433.9 | 1809.6 | 38 | 232.3 | 505.4 | 3330.8 |
| | | | | | | |
由于物体的辐射强度，取实验温度范围内该钢板的辐射率约为,计算。做—曲线，分析辐射强度与温度的关系，验证斯蒂芬——玻耳兹曼定律。
从图中可以看出：温度越高，辐射强度也越大。物体辐射强度与温度的四次方成线性关系。
【思考题】
1. 为什么白天用红外辐射计或红外测温仪测量人的皮肤温度会有较大的误差？
红外辐射计或红外测温仪测量的是物体的热辐射，白天温度较高，周围环境的热辐射会掩盖人体的热辐射，影响仪器的测量精度。
2. 加热时炉盘表面及钢板表面温度是否处处相等？为什么？
加热时炉盘表面及钢板表面温度不可能处处相等，靠近电热丝部位的温度要比远离电热丝的部位要高些。电热丝在传热时属于“点热源”，会有热距离损耗，距离电热丝这个点热源越远的表面，热损耗越大。
【实验总结】
本次实验使用红外测温传感器来测量温度，它具有的优点：不用和物体直接接触，测量时间断，灵敏度高。实验中应该注意：每次测量时，应该尽量保持在同一点测量温度，和被测物体的距离也应该保持一致的高度，以免增大实验数据的误差。
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