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红外辐射源性能的研究

2014-02-22 9页 pdf 532KB 31阅读

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红外辐射源性能的研究 第 卷 第 期 红 外 技 术 总 一 红 外 辐 射 源 性 能 的 研 究 张西亚 唐家鹏 长春光机学院 【提要 】 红外辐射源是各种红外仪器 、 远红外加热、 红外千扰等的主要组成部件 , 其性能的好坏直接影响红外仪器及远红外加热的质量 。 本文通过对几种红外辐射源 光谱特性和能量特性的测试和研究来探讨提高红外辐射源性能的方法和途径 。 一 、 引 言 温度在绝对零度以上的任何物体都要产 生热辐射 , 而物体与所处背景又存在温差 , 这便为各类红外仪器提供了必要的信息 。 因 而对物体红外辐射特性的研究是...
红外辐射源性能的研究
第 卷 第 期 红 外 技 术 总 一 红 外 辐 射 源 性 能 的 研 究 张西亚 唐家鹏 长春光机学院 【提要 】 红外辐射源是各种红外仪器 、 远红外加热、 红外千扰等的主要组成部件 , 其性能的好坏直接影响红外仪器及远红外加热的质量 。 本文通过对几种红外辐射源 光谱特性和能量特性的测试和研究来探讨提高红外辐射源性能的方法和途径 。 一 、 引 言 温度在绝对零度以上的任何物体都要产 生热辐射 , 而物体与所处背景又存在温差 , 这便为各类红外仪器提供了必要的信息 。 因 而对物体红外辐射特性的研究是研制各种适 时红外仪器的前提 , 红外干扰技术的发展也 进一步推动了对红外辐射源的研究 。 从物理学的观点来看 , 能把外加能量转 变成红外辐射能的任何物质结构都可作为红 外辐射源 。 现今红外技术各领域中所使用的 红外辐射源按辐射的物理性质可以分为以下 本文子 年 月 日收到 。 四类 。 第一类是热辐射源 当燃料燃烧或物体 灼热到一定温度时产生的红外辐射 。 第二类是电荧光辐射源 电流通过稀薄 的惰性气体或金属蒸气时引起的发光 。 第三类混合辐射源 同时利用热辐射现 象和电荧光现象 。 第四类是红外线电磁辐射 它是利用线 性振子激发过程的辐射 , 是从无线电波向红 外波段过渡的辐射体 。 常用的红外辐射源有 能 斯 脱 灯 、 硅碳 棒 、 瓷土条 、 高硅氧灯和石英玻璃灯等 。 系统当 时 , 主镜边框 中 , 二 由孔径光栏 、 入瞳变为视场光栏 、 入窗 , 接收器件边框 中 则由视场光栏、 出窗变为孔径光栏 、 出瞳 。 光栏的这种位置及 大小的改变 , 使系统视场图改变 , 因而破坏了仪器的使用要求。 对于该系统 , 被测 目标距离 二 为最佳工作距离 。 测温仪在此距离工作 , 要求 目标外径最小 , 此时目标无渐晕地成象在接收器件光敏面上 , 因而接收器件上辐 射 照 度 均 匀 、 集中 , 目标象有清晰的边缘 。 使光栏位置发生变化的被测目标距离 为该测 温仪的最小工作距离 。 当被测 目标小于此距离时 , 不论 目标是否充满视场 , 由于光栏位置 、 大小均已变化 , 所测 目标温度随距离变化有明显改变 , 显然仪器所测温度不能反映 目标的真 实温度。 从光学原理来讲仪器的最大工作距离应为无限远 , 但对实际系统 , 由于杂散辐射遮 念乞总甘一匀 红外辐射想性能的研究 匀 年 月 二 、 红外辐射源性能 参数的理论分析 平犷 人。必 一 二 炸 入 红外辐射源的性能参数 光谱辐扮通量密度平人 光谱辐射通量密度 平人就是单色辐射强 度 , 此参数国内已普遍使用 , 用它可以得出 辐射源相对能量 与波长 入的关系曲线及峰 值位置 。 根据普郎克并综合物体发射率 入。 全 入 全 。入 全 二 叭 抓 、 二为已知物体的辐 射亮度 , 叭 二为黑体的辐射亮度 , 气 为 物体吸收率 , 在给定温度 的条件下即可得 出平入与入的关系曲线 , 此曲线可 以用来比较 不同辐射源在相同条件下发射能量的大小 。 辐射照度 被辐射源照射的面上接收到的辐射通 量 辐射功率 中称为该被照表面的辐射照 度 , 用公式表示为 二 二您合 我们用了绝对功率计测得不同温度下的 小值 , 由此可求出 来 。 画出 与 的关系 曲线即辐射源相对辐射强度与温 度 的 关 系 曲线 。 光谱发封率叭 , 通常是以黑体作比较源引入 发 射 系 数 入。 士 式中 牙扩是代表一定温度下波 长 为 入 时 样 品 的 光 谱辐射通量密 度 , 附 、表示同一 温度下 , 同一波长黑体的光谱辐 射 通 量 密 度。 电光转换效率 月 辐射源的红外辐射功率中与输入电功率 尸之比值称为辐射源的电光转换效率 中 为辐射源的全谱转换效率 。 我们根据不同 温度下的 值作出 刀一 的变化曲线 。 上面四个参数是衡量红外辐射源性能常 用的参数 。 下面对这四个参数进行定性和定 量的分析 , 找出各自的最佳值域 。 红外辐射源性能参数的分析 红外辐射源的性能好坏并不是由一个参 数确定的 , 而是由诸参数的统一考虑来确定 的 。 一般根据自己使 用 所 需 要的 红 外 波 段 , 首先要选择在这一波段内有高发射率的 材料 , 同时还要使辐射通量密度峰值基本落 在所使用的波段内。 因为根据维 思 位 移 公 式 , 在变化辐度不大的情况下 , 材料的发射 率越高其辐射照度越大 , 另外提高源的表面 温度也可以提高辐射照度及电光转换效率 , 但温度的提高往往受到发射材料本身及很多 因素的限制。 挡及传输中烟雾 、 灰尘及某些气体的特征吸收 , 特别是当目标距离太远时要求被测目标直径 太大 , 所以测温仪在某一适当的工作距离使用最好 。 应该指出 , 上面视场图所确定的视场是对简单接近理想的光学系统的理论视场。 实际的 红外光学系统某一距离处的视场比其理论值偏大 , 其一是由于系统象差影响 , 另 原因是由 于杂散辐射的影响 。 若系统能很好校正象差及设计专门的消杂散辐射的光栏 , 则会使实际的 红外系统视场与理论值接近 。 参 考 文 献 〔 〕 张以淇 , 应用光学 , 上册 , 。 〔 〕 吴福田 , 红外技术 , , , 。 , 第 卷 第 期 红 外 技 未 亡总宁一 》怂 对辐射源的效率 , 由于实际应用中不可 能全部利用 式的全谱效率 刀 , 因此我 们有必要引进一个称之为光谱辐射效率的参 数似 , 它是指光谱辐射通量密度与全谱辐射 通量密度的比值 一 五 舍去 的根 , 有 一 二 采用逼近计算法得 一分一 ” 所以 入 。 冬 八 。 叹肥产刀 任亡啦沁 相对能量刃刀 片犷了寸试粼 叫 件 式就是讯取极大值的条件 , 它表 示对于特定波长 久 , 辐射源存在一个光谱辐 射效率取极大值的最佳温度 。 , 有的书上称 为工程最佳温度 。 利用这一关系式可以估算 辐射源的最佳温度 。。 例如 , 图 所示取使 用波段内久 卜 , 则 图 某红外辐射源的能量发射谱 二 为了方便还可以用图 来说明 。 图 示 出某辐射源在某温度下的能量发射谱 。 设曲 线下总面积为 , 使用波段 卜 内曲线 下面为 尹 , 则光谱辐射效率可用下式表 示 入 旦竺旦 。 似二 ‘乏二 但 式并不是确定辐射源温度的唯 一方法和 。 如果考虑 纵二 。 , 则维恩位 移定律 入 也适用于我们研究辐 射源的表面温度的确定 。 例如同 样 取 入。 件 , 得 而辐射源的总效率为 总 从 下面我们用数学方法推导光谱辐射效率 入取极大值的条件 。 为简便起见 , 假设辐射 源为灰体 , 即 以二 。 , 与波长无关 。 由普郎 克公式 、 维恩位移定律和斯切藩波尔兹曼定 律可以得出 。 。 二 。 班犷二 入“ 〔 入 一 〕 综合考虑这两个关系式便可以初步确定 源表面的温度 , 同时我们还要考虑在给定波 长处材料发射率 沁 随温度的变化关系和辐 射源的寿命与温度的关系 。 这样 , 才能准确 合理选择辐射源的表面温度 。 附 , 二 所以光谱辐射效率似表示为 三 、 红外辐射源参数的测试 入二 牙 入 , 砰 , 一 些入’ ‘ 〔 入 一 〕 令 喇架 一贝 八 一 ︸ 。 荟黑 式中 二 召 一 求 对珊导数 , 再令粤一 。 则得 我们使用吉林大学研制的 红外辐 射测量仪 、 长春市电真空器件厂生产的 一 型绝对功率和 一 红外辐射测温仪对 某军用红外仪器所准备选用的三种红外辐射 源 、 、 进行了相对辐射强度 、 全谱辐 射效率和光谱发射率的测量 。 三种光源的测 试条件是 , 温度皆为 , 所加电压 源 为 、 源为 、 源为 , 单色 息‘ 总李一自仑 红外辐射凉性能的研究 年 月 仪缝宽 为 , 锁 定放大器时间常数为 , 量程为 。 测量结果见附录表格及 曲线 。 在测量过程中 , 测量光路未充氮或抽真 空 , 不能排除水蒸汽和二氧化氮的干扰 。 同 时由于环境温度引起的噪声起伏将使测量结 果产生误差 。 在计算辐射照度的公式中 , 我们分别把 辐射源看成点源和线源进行处理 , 计算公式 的推导从略 , 结果见附录三 。 计算结果表明 把辐射源当做点源处理的结果要比作线源处 理时小一些 。 但在实际应用时如果探测器同 辐射源的距离比辐射源的尺寸大得多时 , 把 辐射源看成点源处理是可行的。 四 、 结 论 实验结果综述 针对某军用仪器要求辐射源在 协 内有很高的光谱辐射效率 , 辐射强度高 , 体 积小 , 机械强度好等特点 , 我们把所测量的 三种源进行了比较 。 从能量发射谱看 , 在 时 源 辐 射 最强 , 根据前面估算 入。二 协。 时要求源 表面温度为 左右 , 但 源和 源使用 领定温度只有 , 如果源的温度由 提高到 , 则 由维恩位移定律 , 峰值向 短波方向移动 △久, 八入 、 一上一 一 一生一 、 且巾 、 , , 。 、 ‘ 一 ” 林 将 , , 二 二 代入上式 , 得 △入。二 协 在 时 , 、 源峰值位置都 接 近 林 。 源入二 件 , 如果把温度提高到 , 峰值位置将移到入, 二 入 二 一 △入产 一 协 , 同 样在所需的波段内。 但从光谱效率的观点来看 , 如果峰值位置在 协 , 源表面温度又要求多少时 取 最大 呢 根据前面推导的公式 。二 对我们测试的 、 源来说 , 不能满足 。要求 , 而只有 源可以满足 。的要求 源温度可以提高到 使用 。 对于 源 , 如果按 计算 , 刀入 , 月 尸二 , 月总 月入 。 当然这只是一个工程计算 , 实际上 红外辐射源总的光谱辐射效率 并非全谱效 率 大于百分之十对我们所研究的某军用红 外仪器就满足要求了 。 另外对红外辐射源表面温度的确定还可 用 “黄金分割” 的经验方法 , 即取 、 。 的 点 , 再取 。、 工和 ‘、 的 点 , 依此类推逐步逼近 , 最后也可以确定源 的最佳温度 。 从实验结果中看出 源电光 转 换 效 率 低 , 这是因为实验条件未能使其处于最佳工 作状态 , 因此 源发射率要比另外两种源小 些 , 这有待于进一步改进 。 一般性结论 从本文的讨论可以得出以下结论 , 红外 辐射源的性能是由几个参数的指标共同衡量 的 。 目前的红外辐射源其总效率还不算高 , 而影响的因素是多方面的 , 因而提高辐射源 的性能必须采取多种办法 , 具体 可 概 括 如 下 ①选择具有高发射率的材料 , 发射率的 提高可采用涂层 、 掺杂 , 二次发射等措施 。 ②使材料的辐射强度尽量大 , 即使材料 表面单位面积上的功率 大 , 由 二 。 ‘ 可 知 , 其关键在于提高表面温度 。 ③表面温度要受到辐射峰值位置 、 光谱 辐射效率及所用材料寿命的限制 。 ④表面温度的确定还要考虑材料电光转 换效率的大小 。 ⑤尽量选取机 械 强 度 好 、 寿命长 、 经 济、 维修方便的红外辐射源做为红外光学仪 第 卷 第 期 红 外 拉 术 总于一 。。 已 器及远红外干燥、 加热方面的光源 。 陈玻若同志一直参加了这一 工 作 的 实 验 , 在论文撰写中又给予了许多 有 益 的 指 教 , 在此致谢 附录一 、 三种辐射源的能量发射谱 浮卜知。乞咖少排卿以尸卿腼 味 村 另 口入切添 」 一 一 乃 ” 移刀 奋 入汉月 附图 附图 丘饥 薄 七 附图 急 总 一 舀 , 红外辐射抓性能的研究 年心月 附录二 、 。 源 三种辐射源的测试数据 。 犷 ,占二翻几勺八,上。二内了口八 ⋯⋯ ,上二︸上,孟上一乙,人,曰︵日︸司自口只︼﹄占从八叮‘八 ⋯⋯ 曰土,山孟,上二,工,上,上移自八氏曰,山︸日︸﹄日乃自比口八曰山勺二口八丙了公切 ⋯⋯ , 上,工月土上,止,上嘴上自八人自口左‘才性。甘月上,口氏口叮‘甘,︺户 ⋯⋯ 甘冉 ,几上二自月任,人︸,自月了刀任︻勺翻曰工工﹄才口勺自口自 ⋯⋯ ︸︸﹄,二,止乃自甘︸︸勺曰八氏口︺。,上办门才甘卜公八‘ ⋯⋯ 八,司,孟乙 。 源 犷 。 。 。 。 。 。 。 。 ,卜魂日⋯ 八甘氏」,上占,占白自,工人尸,人︹日甘 ⋯ 口八今工人,上几,山今曰‘ 曰氏甘八⋯ 工﹄上 ,古一自自 ,曰,︵石﹄︸片一月性‘月气甘勺自七 ⋯⋯ 八跪︺,山,上”︸八习八﹃︸‘月,勺自八 ⋯⋯ ﹄”︸八“︸︵,,自曰八一廿︻了﹃﹄︸只︸自 ⋯⋯ 八八八﹄”︸︸”︸,工,山 。 源 犷 八,曰︼﹄八︸尸甘︸曰︵拭今曰八己‘” ⋯⋯ ︸ ,人,上,人尸︸只︸甘︸二,翻甘一勺鹿︸乙︸从一今曰占勺自 ⋯ 八八八“︸,上,土八月任产 户勺尸匕︸日︸,上八 ︸勺自口,目自 ⋯⋯ 曰孟,上几﹃氏」山内八匕甘︸甘甘口曰八匕,工 ⋯⋯ ︹“”︹日︸︸︸几︸,上自今自︸︶只︺。八八︸甘乃自几心 ⋯⋯ 甘︸”︸,上山月工盛任丹了︵匕一拭几︵︸八︸八,曰几,二 ⋯⋯ 甘汽日︸﹄日八︸,工自︹比︺甘甘︸︸比口︸日︸卜曰八︸月 ,上‘月‘ 注 源 、 源以电压为标准洲量三次取其平均值 。 想以电流为标准侧盘三次取其平均值 。 第 卷 第 期 红 外 技 术 总 二 钟 附录三 、 三种辐射源的计算结果 源 了 了 了 线 线 点 月 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 源 。 。 。 。 犷 线 名 线 点 八占︸勺自朋﹄︹ 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 八几︸只︺甘八 月工曰左盖一︶口 土工,土自,自 。 源 了 百 。 。 一 。 。 。 。 。 线 线 点 月 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 月才叮‘口 ⋯ ︶二︵匕目自户八︶︸只︶ ,上自 注 于、 只 乙 可 杯表示三次测盈中的平均值‘ 仲 为源的辐射照度 做线源处理时 , 线为源发射红外功率 线源处理 , 卓为源发射的红 外功率 点源处理 , 为全谱辐射效率 。 总 一 红 外辐射旅性能的研究 年 月 一 一一 一 一 附录四 、 三种辐射源的光谱发射 率曲线 附录五 、 三种辐射源的 一 , 一 曲线 叹万〕 朋 必 哗砂 派 义 —三一丁曲会戈 —几一 曲无 户 附图 ‘ 二⋯ ⋯⋯ , 口 ,协六 细 乡时 附图 气详, 〔哪砚乞衬 洲卿卿柳 丁二翎 , 。 谧责茹廊楠 目 飞赫前 附图 仁‘渝 一下犷一卜亥一 哪叮 附图 联 爪诈呛淤 切和即加刀恻咖卿帅印乙 琳 下· , , 派 尤 — 叮曲线气可曲坎栖‘斑妹宁不满足 溯终祖娜可靠, 叨帕时似 。一玄 落后 一 乡后成 阵 伍 ” “ 一 入俨川 附图 咬本篇 “参考文献 ” 见第 页 丽一荡布下茄一饰护 诫产 附图 总 一 迅速发展的军用材料 年 月 作 。 材料科学研究部的 说 , 他的部和其他两个部将搞一个经费完全由 负 担的 “小 ” 。 虽然他们不会详细介绍这个计划 , 但是他说过 , 他们的 研究工作 将为 所从事的传统专业服务 , 不是为军事应用服务的 。 此外 , 贝尔实验室的计划要求 一开始就只涉及材料生长 , 而不搞器件的研制。 在这一领域工作的其他研究人员认为 , 卜 波段内的长波长光纤通 讯 乃 是 某 些 研究工作为之努力的一个明确目标 。 有了超结晶格子材料 , 就可以使探测器的性能 最佳化 , 特别是针对较新的氟化物纤维传输窗口 的最佳化 。 的 红外实验室 所从事的 的研究 和发展项目 , 大部分都有各自的产品生产 目标 。 他们正在执行两项主要的计划 , 一个是在 林 之间工作的由热电致冷 一 一 的器件的研制计划 , 此项研究已经进行了 一年了 另一个是关于研制用于 协 的室温器件的计划 , 这项研究已进行了四个月 。 他 们的研究范围包括单元器件和线性列阵 , 不包括二维焦平面 。 是 红外实验 室的主要研究员 。 块生长与外延生长 所有的 器件的生产工艺都将向外延生长方面发展吗 不是每个人都作 肯 定 回 答 。 当我们从投资情况看出人们似乎更赞成分子束外延和 计划的时候 , 一些内部人 士却说 , 现在还没有一项技术是可以依靠的 。 有人认为 , 在没有真正掌握块晶体生 长 技 术 之 前 , 就去利用淀积技术是不会成功的 。 事实上 , 据我所知 , 迄今为止 , 严格按固定价格的合 同交付器件的研究项 目都是以块生长为基础的研究项 目。 这里还存在可生产性间题 , 即成品率 、 稳定性 、 价格和寿命等方面的问题 。 据有关人员 告诉我 , 在块生长技术已发展到可与 光伏 列阵的制作技术结合的时候 , 外延技术还 远未准备好 。 赞同这个观点的大有人在 , 因为至少有一位 材料重要的研制人公开放 弃外延生长方法 。 但是正如一个研究人员所说 , 将来的情况很可能是这样的 各种技术将共 存下去 , 而每一项技术只要运用得当都可以获得最佳价格、 性能和质量的产品 。 雷 蕾 译 自 , 沁 , 李应康 校 上接第 页 参 考 文 献 〔 〕 远红外加热与干燥译文集 , 上海科技情报所 , 〔 〕 远红外木材干燥 , 吴玮 , 〔 〕 红外研究 , , , , 〔 〕 红外线技术裁础 , 。 马尔果林 〔 〕 红外线技术在军事中的应用 , 伊万诺夫 〔 〕 红外线系统原理 , 。 小哈德逊 , 〔 〕 针 , 仔 , ,
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