热辐射红外传感检测实验研究

姚星星，孙金芳

(安徽信息工程学院，安徽 芜湖,241000)

热辐射红外传感检测实验研究

姚星星，孙金芳

(安徽信息工程学院，安徽 芜湖,241000)

本文设计组装了一套热辐射红外传感实验装置，利用该装置研究了被测物表面热辐射强度与探测距离、物体温度及其表面结构间的关系。实验结果表明：物体的温度与其热辐射强度在探测距离不变时呈良好的一次线性关系；在温度保持不变时，物体的热辐射强度与探测距离的平方呈反比。通过实验数据分析及处理，求得物体温度与热辐射强度、探测距离与热辐射强度之间的关系式，并讨论了该实验研究结果在测温和测距方面的应用前景。

黑体；热辐射；红外传感；测温与测距

物体由于具有温度而向外辐射电磁波的现象称为热辐射，热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0到∞。而一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线[1]。物体在向外辐射的同时，还将吸收从其他物体辐射的能量，且物体辐射或吸收的能量与它的温度、表面积、黑度等因素有关[2-4]。为此，国内外设计了一些实验方法和高精度实验设备用于黑体辐射的验证研究，主要研究物体表面状态与辐射量的关系、空气中热辐射的传播规律、热辐射扫描成像等[5-7]。王建军等采用内置黑体作为标准辐射源对匹配镜组和探测器进行标定,采用恒星标准辐射源对大口径主光学系统透过率进行标定,并推导出了红外辐射测量系统 整体的响应关系[8]。李晓雨等设计了一种基于红外传感原理的无人机姿态测量系统[9]。本文在实验室已有仪器基础上，通过组装黑体空腔辐射器与红外传感器，设计了一套简易的红外传感检测实验装置。并利用此装置研究了辐射强度与温度、距离、表面等因素间的关系，同时对其应用前景进行了简要分析。

1 实验

1.1 实验系统装置设计如下图所示：

图1 实验装置系统设计框图Fig.1 Block diagram of the experimentaldevice system

1.2 研究内容及技术配置

采用本实验装置进行了两个实验研究内容：测量物体辐射本领与温度的关系、物体表面状态与辐射量的关系。

主要仪器及参数：

1.多功能物理测试系统：USB接口，2个模拟输入通道和1个数字输入通道；

2.红外传感器(放大倍数可调)，红外转换器(精度0.1℃，由杭州精科仪器有限公司提供)；

3.温度控制器，控温范围：室温～90°(精度0.1℃，由杭州精科仪器有限公司提供)；

4.温度变换器，测量范围100°(精度0.1℃，由杭州精科仪器有限公司提供)；

5.采用卤素灯珠加热，最大工作电压24V，内置2个温度传感器，精度0.1℃；

6.半自动位移控制平台，开关电源，导轨以及光具座。

7.待测样品(黑面平整度0.01mm/m,光滑表面平整度0.01mm/m，粗糙表面平整度0.10mm/m)。

2 结果及讨论

2.1 热辐射和距离的关系

在80.0℃温度条件下，黑面辐射强度P(mV)与距离S (mm)、距离平方S2(mm2)之间的关系见图2、图3。实验条件：温度设为80.0℃、探头放大倍数设为X100。

图2 黑面辐射强度P(mV)与探测距离S(mm)关系曲线图Fig.2 The relationship curve between the radiant intensity P(mV) and the detection distance S(mm)

图3 黑面辐射强度P(mV)与探测距离平方S2(mm2)关系曲线图Fig.3 The relationship curve between the black surface radiation intensity P(mV) and the detection distance squared S2(mm2)

黑体热辐射具有类似于光强和探测距离的平方成反比的规律，即：

(1)

其中K、c为常数，可测定，s为探测距离，p为热辐射强度[10]。由实验结果可知，黑面实验中，当探测距离在0-400mm范围内时，实验结果与理论公式较为符合。超过400mm时，由于外界因素的影响，实验结果与理论偏差较大，因此在利用红外传感测距时对探头与被测物间的距离要设计合理。

2.2 物体温度对热辐射能力的影响

为了研究温度与辐射强度的关系，本实验中设定探测距离为2.0cm，同样探头放大倍数设为X100。通过加热温度从室温开始上升， 随温度t变化记录辐射强度P。选择三类辐射面作对比实验。实验结果如下表一：

表一 热辐射能力随物体温度的变化Table 1 Thermal radiation with the object temperature changes

续表

黑面粗糙面光面温度(℃)辐射强度P(v)温度t(℃)辐射强度P(v)温度t(℃)辐射强度P(v)31.500.80334.70.70433.60.66732.50.81735.80.71334.60.67033.60.83136.80.72035.60.67334.60.84537.80.73036.60.67535.60.86138.90.74137.70.68036.70.87639.90.74938.80.68537.70.89240.90.75939.80.68838.80.90742.00.76740.80.69339.80.92443.00.77542.00.69641.00.93944.10.78443.00.70042.20.95945.20.79744.00.70743.30.97846.20.80745.10.7144.30.99547.20.81746.10.71545.41.01348.30.82647.20.71946.41.03549.40.83748.30.72647.51.05250.40.84949.40.7348.51.07151.50.85450.50.73749.61.08852.50.86851.50.74350.71.11053.50.88152.60.7551.71.13054.60.89253.60.75652.71.14755.60.90154.70.76353.81.18856.60.91255.70.7754.81.18957.70.92556.80.77855.81.21158.70.93357.80.78556.91.2359.80.94258.80.79158.01.24860.80.95359.90.79859.11.27361.80.96660.90.80560.11.29562.90.97862.00.81261.21.31563.90.98663.00.8262.31.33964.90.99864.00.82863.41.36266.01.00765.10.83464.41.38967.01.01766.20.84465.41.41368.01.02467.20.8566.51.43769.01.03668.30.85967.61.45970.11.0469.30.86968.61.48371.21.05370.50.87869.61.5172.21.06271.50.88870.71.53473.21.07272.60.89771.71.56274.21.08273.70.90572.81.58775.31.09174.80.91373.91.61476.41.09875.80.92275.01.6477.41.10776.80.93376.01.66578.41.11877.90.94277.01.69379.51.12379.00.95278.11.7180.51.13180.00.9779.11.74781.51.13980.21.81381.21.864

图4 不同表面辐射强度随温度的变化曲线图Fig.4 The curve of different surfaces radiation intensity with the object temperature changes

实验选取了同一样品的三个不同表面进行测试，实验结果表明：所有面的辐射强度都随着温度的升高而增大，相同温度下同一物体黑面、粗糙面和光面的辐射强度依次减小，实验结果表明温度在20℃-80℃范围内物体辐射强度P(mv)与物体的温度T(℃)呈良好的线性关系，即：

P=a*T+b

(2)

其中，在(2)式中a和b均为常量，由实验数据很容易准确测定，不同表面常数a、b的值不同。本实验测量结果为，黑面的a、b的值分别a=0.0142，b=0.354；粗糙面的a、b的值分别a=0.0087,b=0.401；光滑面的a、b的值分别为a=0.0042,b=0.521。因此在利用红外辐射测温时要考虑到温度的变化范围，控制在辐射强度与温度满足线性变化的范围内。

3 结论及其应用前景

本实验结果可有效应用于高危等特殊场合的温度测量与微距离测量。通过对实验数据相应的作图分析及数据拟合等处理，可以分别求得物体温度与热辐射强度、探测距离与热辐射强度之间的函数关系式，确定了函数关系式在相应的定标条件下便可以通过测量物体的热辐射强度而获得物体的温度及探测距离的大小，从而为特殊场所的测温和测距提供一种可靠的途径，据此可设计热辐射强度测温仪与微测距仪，在红外成像、核电站及空间探测等特殊领域可显现出这种测量方法的优越性及应用前景。

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Experimental study of thermal radiation and infrared detection

YAO Xingxing,SUN Jinfang

(Anhui Institution of information Technology,Wuhu 241000,China)

This paper is through a series of experiments of the temperature and thermal radiation intensity and the distance between detection to find that temperature of the object and its detection range of thermal radiation intensity represents a constant linear relationship;when the temperature stays changes,the object and the detection of thermal radiation intensity inversely proportional to the square of the distance.By mapping the corresponding experimental data analysis and data fitting and some other methods,the object temperature and heat radiation can be respective obained and thermal radiation detection range and the functional relationship between the intensity can be measured.The temperature measurement of heat radiation and thermometer can be developed according to that,which shows a superiority of this measurement method and a huge prospect in the field of infrared imaging,nuclear power plants and other special areas of space exploration.

blackbody;thermal radiation;infrared sensing;temperature and distance measurement

1672-7010(2017)01-0108-04

2016-12-29

安徽省教育厅科学研究项目(KJ2016A073)

孙金芳(1985-)，女，安徽芜湖人，讲师，博士研究生，主要从事低维材料性能研究和大学物理实验教学研究；E-mail:xxshan1203@qq.com

O432.1 < class="emphasis_bold">文献标志码：A

A