黑體輻射定律測量

1、黑體輻射定律測量實驗報告課程名稱紅外與微光姓學(xué)一、實驗名稱:黑體輻射功率與溫度關(guān)系測量二、實驗?zāi)康?、掌握黑體輻射理論;2、了解空腔黑體；3、了解熱像儀使用。三、原理黑體輻射理論是二十世紀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

2、的空腔，腔體上開有一個小孔，波長遠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v ）的可能能量為某一個最小值s 的整數(shù)倍 0XS，1X8，2XS，3X8，nxe，.（2）.該最小值正比于頻率v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：凱hc辦p dk =人 人5 exp( hc / Xk T) -1B利用該公式，可求得維恩位

3、移定理入mT=2.898X103 (um K)和史蒂芬一玻爾茲曼定律W (T ) =q T 48兀7手 x 3 dxb =k 4 j= 5.687 x 10-8 W .m - 2.K-4h3c 3 B exp(x) 一 10本實驗項目的任務(wù)是用熱像儀測量史蒂芬一玻爾茲曼定律。如圖所示，黑體 輻射經(jīng)大口徑紅外錯透鏡聚焦，入射到320 x 240紅外焦平面陣列探測器上，陣列 探測器輸出的信號送入圖像采集卡，再送入計算機內(nèi)存，經(jīng)過驅(qū)動軟件，讀出 并顯示紅外圖像。圖像信號圖像信號氣J r圖像采集咨.計算機內(nèi)存圖像讀取、顯示ei革） !=i :f:L與處理1卡驅(qū)動程序系統(tǒng)實驗框圖四、實驗器材:熱像儀、黑

4、體、圖像采集卡、計算機、V型調(diào)整架、適配器。五、實驗內(nèi)容1、圖像灰度積分。六、實驗步驟：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）對熱像儀進行校準。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。打開采集程序，觀察圖像是否對準并選擇好處理區(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。待黑體被控對象的測量值到達待測溫度后，抓取并保存圖像，進行灰度積分， 記錄好積分結(jié)果及對應(yīng)的溫度值。重復(fù)步驟3. 4直至測量完所有欲測的溫度點。七、實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析：1.實驗數(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

5、，寬度為167； 面積：143*167=23881;溫度（C0）（溫度 + 273） 4灰度和平均灰度100.8195234780353423049143.34105204158374563628456151.94110215176627213805943159.37115226634959363992571167.19120238544936014166692174.48125250918272164347644182.05130263766832814534196189.87135277102632964729467198.04140290937837614853461203.241453

6、05284761764896323205.03150320155870414903488205.33155335563778564907267205.49160351521251214910765205.63165368041203364912248205.70170385136700014913990205.77175402820956164914928205.81180421107336814915793205.85185440009356964917117205.90190459540681614917553205.92195479715125764914346205.782005005

7、46654414914751205.80205522049382564916579205.88210544237575214918375205.95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（K4）,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

8、個值附近。分析： 根據(jù)史蒂芬一玻爾茲曼定律W（T） =。74，黑體單位面積發(fā)射的輻射功率與其溫 度的四次方成正比。結(jié)合實驗數(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，滿足史提芬一波爾茲曼定理；當(dāng)溫度在1450C到 2100C，測定的黑體輻射功率基本不變，這很可能是因為我們所使用的熱像儀等 儀器測量達到飽和。八、實驗結(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，驗證了史蒂芬一波爾茲曼定律。九、總結(jié)及心得體會：1、這次實驗在使用熱成像儀時，要注意

9、一些操作上的順序；在實驗過程中，測 量的時候并不是很復(fù)雜。2、實驗中，調(diào)節(jié)成像的清晰度十分重要，不然測出來的數(shù)據(jù)是不準確的。3、實驗過程中，一定要拉好窗簾，不然外界的光會影響實驗。十、對本實驗過程及方法、手段的改進建議：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，是不是要更準確一點。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（實驗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錯透鏡或者硅材料作為窗口材料有什么優(yōu)點?答：既然要作為窗口材料，錯透鏡或者硅材料必須