1、1专业课程实验指导书 -红外物理与技术基础探测与信息工程系韩文波 李鹏飞2红 外 物 理 与 技 术 基 础实 验 指 导 书主编： 韩文波 李鹏飞3目 录 实验一 用红外热像仪测量物体表面发射率.4实验二 物体表面率对红外热像仪测温精度影响分析实验.9 实验三 用双色法测量钨丝灯的温度.16实验四 红外探测器响应度和探测率 D 的测量. .214实验一 用红外热像仪测量物体表面发射率一、实验目的及要求1、掌握物体表面发射率的基本概念及红外热成像的基本理论2、掌握正确使用红外热像仪测量物体表面发射率的基本方法3、学习利用红外热图片处理软件对实验图片进行处理二、实验设备TH9100 红外热像仪、
2、智能温控加热炉、黑体源、激光测距机、计算机及其处理软件等。三、实验原理1、发射率在正确使用红外热像仪过程中，需要准确设定的多个物理参数，其中最重要的是发射率。简言之，发射率就是同等条件下一个物体的辐射能量相对于一个绝对黑体的辐射能量的比值。一般来说，物体材料和表面状况所表现出来的发射率大约在 0.1 到 0.95 之间。一个高度磨光的表面，发射率会降到低于 0.1，然而被氧化或有涂层的表面却能有更高的发射率。尽管油层在可见光区域内有颜色，在红外区它的发射率却可以超过0.9。人类皮肤的发射率接近于 1。非氧化金属表现出了一种极限情况，那就是几乎不透明性和全反射，它的发射率并不随着波长的变化而有很
3、大变化。最后得出结论，金属的发射率很低仅随温度升高而升高。而对非金属，发射率往往很高，并且随着温度的升高而降低。2、红外热像仪的组成和工作原理（1）红外热像仪成像的物理原理红外热像仪是一种成像测温装置，是利用目标与周围环境之间由于温度与发射率的差异所产生的热对比度不同，而把红外辐射能量密度分布图显示出来，成为“热像” 。由于人的视觉对红外光不敏感，所以热像仪必须具有把红外光转变为可见光的功能，将红外图像变为可见图像。在红外热像仪中，红外图像转换成可见光图像分两步进行。第一步是利用对红外辐射敏感的红外探测器把红外辐射变为电信号，该信号的大小可以反映出红外辐射的强弱；第二步是通过电视显像系统将反映
4、目标红外辐射分布的电子视频信号在电视荧光屏上显示出来，实现从电到光的转换，最后得到反映目标映像的可见图像。（2）红外热像仪的组成及各部分功能在热像仪中具体实现由红外光变电信号，由电信号变可见光的转换功能是由热5像仪各个部件完成的。非扫描型热像仪由光学系统、红外探测器、信号处理系统和显示记录装置等几部分组成。 非扫描型热像仪即焦平面热像仪革除了繁杂的光机扫描装置，它的红外探测器呈二维平面形状，自身具有电子自扫描功能，被测目标的红外辐射只需通过简捷的物镜就和照相机的原理相似地将目标聚焦在底片上曝光成像，被测目标聚焦成像在红外探测器的阵列平面上， “焦平面阵列” （Focal Place Array
5、） ，故有时也称它是“凝视成像” 。其原理如图 1 所示。此类型热像仪红外摄像头结构简单，无光机扫描机构，其内装硅化铂红外电荷耦合器件 CCD，35 成像镜头，红外 CCD 驱动电路板。其重量仅在 2kg 左右，携m带使用十分方便。硅化铂红外 CCD 输出视频信号，经钳位放大等预处理后，由 A/D转换变成 8bit 或 12bit 的数字图像信号，然后由固定图形噪声消除电路和响应率非均匀性校正后，存入帧图像存储器中。图像信号混合了标尺和字符等数据后，经过伪彩色编码和 D/A 转换后，在显示器上显示。显示模式具有黑白、伪彩色和等温区等多种方式，并能定时地读出图像所对应的物体表面温度。图 1 制冷
6、型焦平面热像仪的原理框图3、红外辐射测温的基本理论及发射率测量的基本原理（1）红外辐射测温的基本理论辐射出射度指辐射通量的表面密度，即辐射通量与辐射表面面积之比。依普朗克定律，黑体的光谱辐射出射度为：6（1） 式中，c13.74210-16Wm2，c21.438 810-2WK。对表面温度为 T，光谱范围为1,2（012）的物体的光谱辐射出射度为：（2） 当 1=0，2时，依广义定积分原理得出黑体的辐射出射度，即斯蒂芬玻尔兹曼定律为：（3） 5.6710-8 W/(m2K4)式 (3) 中的定积分不易求得，但可采用 2 种方法计算： 利用计算机直接近似积分，可采用 Matlab 工具进行计算；
7、 采用查表方法求取近似积分，方法如下：设波长的无量纲坐标 x/M，M 表示热力学温度为 T 时光谱辐射出射度最大的峰值波长（可由维恩位移定律求得） ，可用列表函数 z(x)W0-/W0-计算绝对黑体的辐射出射度。则：（4）（2）发射率测量的基本原理红外探测器接收的辐射含目标辐射和对周围环境辐射的反射。这些辐射经大气衰减和辐射，到达探测器，如图 2 所示。探测器接受的总辐射能 Wtot 为：（5）式 (5) 中： 是物体表面发射率； 为大气透射率，(1-)为探测距离内的平均大气发射率。目标辐射Wobj，周围环境的反射辐射(1-)Wamb，大气辐射(1-)Watm。由式 (5) 整理得：（6） 在
8、远红外大气窗口，室内大气透射率接近于 1，即 1，因此式 (6) 经整理7得：（7）其中，Wamb、Wobj 可利用传统测温装置测量得到，探测器接受的总辐射能 Wtot可利用红外热像仪间接得到。图 2 路径上的不同辐射四、实验步骤与内容（1）把智能温控加热炉，黑体源，等放到支架车上，以便调整位置。（2）把智能温控加热炉与黑体源连接起来；用激光测距机测量黑体与 TH9100 红外热像仪的距离，并使黑体的腔口与的镜头对准。（3）给智能温控加热炉和 TH9100 红外热像仪接通电源，设定智能温控加热炉的温度为 Tobj。（4）对 TH9100 红外热像仪输入发射率及其相关参数值，进行测量，记录红外热
9、像仪所测温度值 Ttot。五、实验结果及数据处理测量时环境温度 Tamb 为 ，距离为 m，大气透过率为 1，大气湿度为50%。根据式（3）计算环境温度为 Tamb，黑体温度为 Tobj、红外热像仪显示温度为Ttot 时，相对应的 Wamb、Wobj 和 Wtot 值，然后通过式（7）计算出相应 值，填入表 1，并绘出 Tobj 的曲线图，分析产生误差的原因。表 1 黑体在不同温度时的测量和计算数据Tobj（）Ttot（）Wobj（W/m 2）Wtot（W/m 2）Wamb（W /m2）1009080708605040六、注意事项（1） 、为了保证实验的顺利进行，请参加实验的同学遵守实验室规定
10、，服从实验室人员的安排，爱护实验室设备。（2） 、请在实验后的一星期内提交实验报告。（3） 、报告书写，实验报告应包括如下内容：1）实验名称；2）实验目的；3）实验的理论依据和实验原理；4）实验方法；5）实验结果与分析；6）总结9实验二 物体表面发射率对红外热像仪测温精度影响分析实验一、实验目的及要求1、掌握红外热成像的基本理论2、掌握物体发射率的基本概念及其对测温精度的影响3、掌握正确使用红外热像仪测量物体温度的基本方法并对测量结果进行精度分析4、学习利用红外热图片处理软件对实验图片进行处理二、实验设备H9100 红外热像仪、智能温控加热炉、黑体源、计算机等。三、实验原理1、红外热像仪辐射测
11、温方程及误差计算（1）热像仪辐射测温方程根据红外辐射理论和红外热像仪的测温原理可知，红外热像仪是靠接收被测表面发射的辐射来确定其温度和热图像的。实际测量时，当测试物体为黑体目标，且该目标到热像仪镜头距离为 d 时，热像仪镜头处的总辐亮度为：（1）TLLupatht,0 dTLdaaa,1,0式中： 为大气光谱透过率； 为气温。,等式右边第一项是接收到的目标光谱辐亮度；第二项是大气路径的辐亮度，其中方括号内是大气光谱发射率。对实际灰体辐射，情况稍微复杂些，因为目标会将环境辐射反射到光路中而被探测系统接收，此时热像仪镜头处的辐亮度为：（2） dTLdLaault ,1,010式中： 为环境温度；
12、为被测物体表面温度； 为被测物体表面发射率； 为uT0Ttl表面反射率。则作用于热像仪的辐照度为：（3） dTLddAEaault ,1,020式中： 为热像仪最小空间张角所对应的目标的可视面积；d 为该目标到镜头之间0的距离。通常一定条件下 为常值。20A热像仪通常工作在 25 或 813 两个波段，它只允许这两个波段的能量进入热m像仪的镜头，达到探测器。探测器在这一波段上积分入射的辐射能，并把它转化为一个与能量成正比的电信号。入射到探测器上的某波长的辐射功率为（4）0RAEP式中： 为热像仪透镜的面积； 为光学系统的光谱透射比。RA与辐射功率相应的信号电压为： 0RsEPV dTLddAaaultR ,1,20（5） 式中： 为探测器的光谱响应，它表示了红外探测器把红外辐射能转变为电信号的能力。由于热像仪是工作在某一个很窄的波段，25 或 813 之间， ， ，m通常可以认为与 无关，则（5）式可以写成： dRTLTLdAV aaultRs 1020
