红外辐射基本规律
监控红外基本原理介绍
自然界中的一切物体，只要它的温度高于绝对温度(-273℃)就存在分子和原子无规则的运动，其表面就不断地辐射红外线。
红外线是一种电磁波，它的波长范围为0.78 ~ 1000um，不为人眼所见。
红外成像设备就是探测这种物体表面辐射的不为人眼所见的红外线的设备。
它反映物体表面的红外辐射场，即温度场。
注意：红外成像设备只能反映物体表面的温度场。
对于电力设备，红外检测与故障诊断的基本原理就是通过探测被诊断设备表面的红外辐射信号，从而获得设备的热状态特征，并根据这种热状态及适当的判据，作出设备有无故障及故障属性、出现位置和严重程度的诊断判别。
为了深入理解电力设备故障的红外诊断原理，更好的检测设备故障，下面将初步讨论一下电力设备热状态与其产生的红外辐射信号之间的关系和规律、影响因素和DL500E的工作原理。
一．红外辐射的发射及其规律（一）黑体的红外辐射规律所谓黑体，简单讲就是在任何情况下对一切波长的入射辐射吸收率都等于1的物体，也就是说全吸收。
显然，因为自然界中实际存在的任何物体对不同波长的入射辐射都有一定的反射(吸收率不等于1)，所以，黑体只是人们抽象出来的一种理想化的物体模型。
但黑体热辐射的基本规律是红外研究及应用的基础，它揭示了黑体发射的红外热辐射随温度及波长变化的定量关系。
下面，我着重介绍其中的三个基本定律。
1．辐射的光谱分布规律-普朗克辐射定律一个绝对温度为T(K)的黑体，单位表面积在波长λ附近单位波长间隔内向整个半球空间发射的辐射功率(简称为光谱辐射度)Mλb (T)与波长λ、温度T满足下列关系：Mλb (T)=C1λ-5[EXP(C2/λT)-1]-1式中C1-第一辐射常数，C1=2πhc2=3.7415×108w·m-2·um4C2-第二辐射常数，C2=hc/k=1.43879×104um·k普朗克辐射定律是所有定量计算红外辐射的基础，介绍起来比较抽象，这里就不仔细讲了。
红外辐射原理
红外辐射原理
红外辐射是一种电磁辐射，波长长于可见光，但短于微波。
红外线是一种无形的能量，我们肉眼无法看到它，但它在我们的日常生活中发挥着重要作用。
红外辐射原理是指物体在温度不为零时会发出红外辐射，这种辐射能够被红外传感器捕捉到并转化为热像图像。
本文将详细介绍红外辐射的原理及其在各个领域的应用。
首先，红外辐射的产生是由物体的温度决定的。
根据普朗克辐射定律，温度越高的物体会发出更多的红外辐射。
这就是为什么我们可以利用红外辐射来测量物体的温度。
红外测温仪就是利用了这个原理，通过探测物体发出的红外辐射来计算物体的温度，广泛应用于工业生产、医疗保健等领域。
其次，红外辐射在红外夜视、红外热像等领域也有着重要的应用。
红外夜视仪利用物体发出的红外辐射来形成夜视图像，使我们能够在夜晚看清楚周围的环境。
而红外热像仪则是利用物体发出的红外辐射与周围环境的温度差异来显示物体的热分布情况，广泛应用于建筑检测、电力维护等领域。
另外，红外辐射还在安防监控、火灾报警等领域发挥着重要作
用。
红外感应器可以探测物体发出的红外辐射，当有人或物体进入感应范围时，感应器会发出信号，从而实现对区域的安全监控。
在火灾报警系统中，红外感应器也可以检测到火焰的红外辐射，及时发出警报，保护人们的生命和财产安全。
总的来说，红外辐射原理是基于物体温度的辐射特性，利用物体发出的红外辐射来实现温度测量、夜视观察、热像显示、安防监控等多种应用。
随着科技的不断发展，红外技术将会在更多领域得到应用，为人类生活带来更多便利和安全保障。
第三章 热辐射的基本定律
令 x = c2/λT 则 λ= c2/xT dλ=-(c2/x2T)dx (积分限λ:0～∞,则x:∞～0)
c1 Mb (e 5 (c 2 / xT )
0
0
c2 ( c2 / xT )T
c2 1) ( 2 )dx x T
1
c1 c2
4 4
x 3T 4 (e x 1) 1 dx
知道一个λT值，就对应一个f(λT)值，即知道一个 温度T，就得到某波长处的辐射出射度Mλ。 这样即可查表得到Mλ，而不用普朗克公式计算了。
知道一个λT值，就对应一个f(λT)值，即知道 一个温度T，则在某波长处的辐射出射度Mλ 为 M f (T )M f (T ) BT 5
m
这样即可查表得到Mλ，而不用普朗克公式 计算了。
例3 如太阳的温度T=6000K并认为是黑体， 求其辐射特性 1.其峰值波长为 2898 m 0.48m 6000 2、全辐射出射度为
M T 5.67 10 6000 7.3 10 W / m
4 8 4 7 2
3、紫外区的辐射出射度为
M 0~0.4 0.14M
M m
根据普朗克公式
M b
c1
1
2
5 e c
/ T
1
根据维恩最大发射本领定律
M bm
c1
1 ec2 / mT 1
m
5
BT 5
所以
c1 1 M 5 e c2 / T 1 c1 1 f (T ) 5 5 c 2 / T 5 M m BT B T e 1
1
f ( .T )
令x = c2/λT
M ( x)
热辐射的研究
热辐射的研究热辐射是19世纪发展起来的一门新学科，它的研究得到了热力学和光谱学的支持，同时用到了电磁学和光学的新兴技术，因此发展很快。
到19世纪末，这个领域已经达到这样的高峰，以致于量子论这个婴儿注定要从这里诞生。
热辐射实际上就是红外辐射。
1800年，赫谢尔（W.Herschel）在观察太阳光谱的热效应时首先发现了红外辐射，并且证明红外辐射也遵守折射定律和反射定律，只是比可见光更易于被空气和其他介质吸收。
1821年，塞贝克（T.J. Seebeck）发现温差电现象并用之于测量温度。
1830年，诺比利（L. Nobili）发明了热辐射测量仪。
他用温差电堆接收包括红外辐射在内的热辐射能量，再用不同材料置于其间，比较它们的折射和吸收作用。
他发现岩盐对热辐射几乎是完全透明的，后来就用岩盐一类的材料做成了各种适用于热辐射的“光学”器件。
与此同时，别的国家也有人对热辐射进行研究。
例如：德国的夫琅和费在观测太阳光谱的同时也对光谱的能量分布作了定性观测；英国的丁铎尔（J. Tyndall）、美国的克罗瓦（A.P.P. Crova）等人都测量了热辐射的能量分布曲线。
其实，热辐射的能量分布问题很早就在人们的生活和生产中有所触及。
例如：炉温的高低可以根据炉火的颜色判断；明亮得发青的灼热物体比暗红的温度高；在冶炼金属中，人们往往根据观察凭经验判断火候。
因此，很早就对热辐射的能量分布问题发生了兴趣。
美国人兰利（ngley）对热辐射做过很多工作。
1881年，他发明了热辐射计，可以很灵敏地测量辐射能量。
图19.13就是兰利的热辐射计。
他用四个铂电阻丝组成电桥，从检流计测出电阻的温度变化。
为了测量热辐射的能量分布，他设计了很精巧的实验装置，用岩盐作成棱镜和透镜，仿照分光计的原理，把不同波长的热辐射投射到热辐射计中，测出能量随波长变化的曲线，从曲线可以明显地看到最大能量值随温度增高向短波方向转移的趋势（图19.14）。
1886年，他用罗兰凹面光栅作色散元件，测到了相当精确的热辐射能量分布曲线。
“透视”相机原理大曝光红外线摄影
“透视”相机原理大曝光红外线摄影“透视”相机原理大曝光:红外线摄影“知其然，还要知其所以然”，在我们领略了红外线摄影的无穷魅力后，如果对其成像原理有了全面而深刻的了解，便能帮助我们拍摄出更加美妙的影像来。
红外线的发现早在1672年人们就发现了太阳光(俗称白光)是由各种颜色的光复合而成，随后牛顿做出了单色光在性质上比白光更简单的著名结论。
无论是当时还是现在，我们都可以利用分光棱镜把太阳光分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等单色光，这也是很多光电试验中合成白光的原理。
1800年英国物理学家赫胥尔从热的观点来研究各单色光时发现了红外线，并且把光谱中看得见的那部分波称为“光”(可见光)，而人眼看不到的波则称为“线”，并习惯地命名为红外线。
显然这样来对红外线进行定义是不科学的，尔后科学家的研究表明，红外线这种电磁波在实际应用中可划分为以下三个波段:近红外:波长为0.77,3.0μm、中红外:波长为3.0,30μm、远红外:波长为30,1000μm。
通常情况下的红外线摄影可以感应的红外线波长范围为770,1000nm。
红外线成像设备的特殊之处就是能探测这种物体表面所辐射的不为人眼所见的红外线，它所反映的是物体表面的红外辐射场，即温度场，帮助我们看到肉眼观察不到的事物，从另一种角度来观察我们所熟悉的事物。
红外线成像的原理和黑体的红外辐射规律所谓黑体，简单地讲就是在任何情况下对一切波长的入射辐射吸收率都等于1的物体，也就是说完全吸收。
作为自然界中实际存在的任何物体对不同波长的入射辐射都有一定的反射(吸收率不等于1)，所以黑体只是人们抽象出来的一种理想化的物体模型。
但黑体热辐射的基本规律是红外线研究及应用的基础，它揭示了黑体发射的红外热辐射随温度及波长变化的定量关系，同样，这也是我们研究红外成像的基本出发点。
黑体定律分别由以下三个基本定律构成:(1)辐射的光谱分布规律——普朗克辐射定律;(2)辐射功率随温度的变化规律——斯蒂芬-玻耳兹曼定律;(3)辐射的空间分布规律——朗伯余弦定律。
ir 原理
ir 原理
IR（红外线）原理是指通过利用物质对红外辐射的吸收和发射特性，以及红外辐射的传播规律，实现物体的检测、测温、遥感等应用。
首先，IR原理涉及到红外辐射的特性。
物体在温度为零摄氏
度以上时，会发射红外辐射。
发射的红外辐射能量与物体的温度成正比，其频率范围在电磁波谱中位于可见光的下方。
不同物体的红外辐射特性具有一定差异，也受到物体表面的光学性质和表面温度的影响。
其次，IR原理涉及到红外辐射的传播规律。
红外辐射可以在
真空和空气等介质中传播，但其传播距离和透过能力与辐射的波长有关。
波长较短的红外辐射能够穿透更远的距离，而波长较长的红外辐射则更容易被空气中的分子所吸收。
最后，IR原理涉及到物质对红外辐射的吸收和发射特性。
不
同材料对红外辐射的吸收和发射情况各不相同，这是IR应用
中常用于检测和测温的基础原理。
通过利用物质在特定波长范围内的红外辐射吸收特性，可以实现对物体的检测和识别。
同时，利用物体在特定波长范围内的红外辐射发射特性，可以实现对物体温度的测量和控制。
综上所述，IR原理通过物质对红外辐射的吸收和发射特性，
以及红外辐射的传播规律，实现对物体的检测、测温、遥感等应用。
这一原理在诸多领域中得到广泛应用，包括红外感应器、红外测温仪、红外线摄像机和红外线通信等。
在线监测课件
第四节 红外监测与诊断技 术在电气设备上的应用
3、故障类型
➢ 用红外监测出的故障类型按性质可分为外部热故障和内部热故障两类。 ▪ 外部热故障主要是各种裸露接头的热故障，以局部过热的状态向其周围辐
射红外线，其红外热图像显示出以该故障为中心的热场图，故从设备热图 像中可直观地判断是否存在热故障，根据温度分布场可准确地确定故障的 部位。 ▪ 内部热故障是指设备内部故障而引起外部相关部件的温度变化，即其表现 形式是外部件的热变化。其发热过程一般都较长，且为稳定发热。与故障 点接触的固体、液体和气体．都将发生传导和对流热。因此从外部对其相 关部件进行红外热成像监，特别是电容型设备、电磁式 电压互感器和避雷器等。
红外辐射的基本规律
▪ 黑体辐射的基本规律： 绝对温度为T(K)的黑体，单位表面积在波长附近单位波长间隔 内向整个半球空间发射的辐射功率与波长、温度的关系：
M b (T ) C15[exp( C2 T ) 1 ]1
C1:第一辐射常熟。C2:第二辐射常熟。 ▪ 实际物体的红外辐射规律
M (T ) (T ) T 4
实际物体的总辐射功率与绝对温度4次方成正比，还与 实际物体的发射率ε有关。
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第一节 红外测温仪
1、基本原理
▪ 光学系统 收集被测目标的幅射能量，使之汇聚在红外探测器的 接收光敏面上。
▪ 红外检测器 将接收到的红外幅射能量转换成电信号输出。
▪ 信号处理 提高信号的信噪比和进行线性化输出、辐射率调整等 的处理。
5、检测实例
第24页/共31页
第四节 红外监测与诊断技 术在电气设备上的应用
5、检测实例
第25页/共31页
第四节 红外监测与诊断技 术在电气设备上的应用
红外光谱基本原理
红外光谱基本原理
红外光谱基本原理是通过测量物质对红外辐射的吸收和散射来分析物质的分子结构和化学键信息。
红外辐射是电磁波的一种，其波长范围为0.78-1000微米。
红外光谱仪器由三个主要部分组成：光源、样品室和检测器。
光源发出红外辐射，经过样品室中的样品后，辐射被检测器接收并转换为电信号进行分析。
在红外光谱中，物质分子会吸收特定波长的红外辐射能量，这是由于不同分子之间的化学键具有不同的振动和转动模式。
每个化学键都对应着一定的波数，而波数与波长呈反比关系。
红外光谱图是以波数为横坐标、吸光度为纵坐标的图形，用于描述物质在红外波段的吸光度变化。
图谱中的吸收峰对应着物质中的特定化学键振动或转动模式的吸收。
通过与已知物质的红外光谱对比，可以确定未知物质的组成和结构。
红外光谱广泛应用于有机化学、无机化学、生物化学等领域，用于分析和鉴定物质、检测化学反应、研究分子结构和键的性质。
在红外光谱分析中，需要注意的是样品的制备和处理。
样品应该被均匀地涂布在红外吸收性能良好的基质上，并尽量减少水分和有机溶剂的干扰。
此外，样品的浓度和厚度也会对谱图的强度和形状产生影响，因此需要进行优化和标定。
总之，红外光谱基于物质对特定波数红外辐射的吸收特性，可用于分析物质的结构和化学键信息。
它是一种快速、非破坏性的分析方法，在科学研究和工业应用中有着广泛的应用前景。
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德国物理学家 马克斯·普朗克
用光子数表示的普朗克公式
普朗克 公式
用其它变量表示的普朗克公式 广义普朗克函数
一.普朗克公式的推导
在体积为 V 的空腔内
在 d 的频率范围内
光子的量子态数为：
gd
8Vv2
c3
d
在 d 的频率范围内，辐射场的总能量：
E dv
8Vv2
c3
d
e h
1
K BT
hv 1
若物体 ↗ → M ↗
好的吸收体必是好的发射体。
若物体透射率τ= 0，则=1-（反射率）
好的发射体必是弱的反射体。
二.密闭空腔中的辐射为黑体的辐射 绝对黑体：=1 ，与 、T 无关。 热辐射的理想模型。
例：空腔小孔辐射
空腔在黑体上产 生的光谱辐照度
E M sin 2
黑体 ≈1
小孔 空腔
若把腔壁加热，则腔孔的 辐射就相当于一个面积等 于腔孔面积的黑体辐射。
射场的光谱能量密度。
二.普朗克公式的意义 根据辐射亮度和能量密度的关系：
L
cw
4
黑体的辐射出射度：
M bb
L
cw 4
2hc 2
1
M bb 5 ehc KBT 1
黑体辐射光谱分布
的普朗克公式 即普朗克辐射定律
普朗克公式初始形式：
MБайду номын сангаасbb
C1
5
eC2
1
T
1
C1—— 第一辐射常数
M bb
C1
5
eC2
900K 800K
出
射 0.3
700K
射
度 0.2
度 曲
M 0.1
600K 500K
线
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
波长 m
➢➢➢下温每黑温温M并方度条体度度λ只b面b曲的↑↑T有随，，↑积线 辐一波M短，）互 射个长λ波；不 特bM极连b↑比相 性λ。大续bb例交只的全值变↑，与峰辐。化。温值射（，度波出一一↑有长射旦个，关向度温温所，短M度度有与波↑确对波，物方定应长(体M向，固的其移是则定M它动曲M一λb参。b线λ条↑bb数；曲在无线某关，波； 长处为一的固定值）；
光子辐射亮度:
Lp
cn p
4
对黑体辐射： M E L
即黑体辐射为朗伯体辐射。 如果在空腔表面开一足够小的小孔，近似地认为小孔 不影响腔体内的辐射分布，小孔的辐射出射度：
M L
即小孔辐射遵守朗伯体的辐射规律，空腔小孔为 朗伯辐射源。
温度、表面积、黑度等
返回
3.3 普朗克公式
普朗克公式的推导
普朗克公式的意义 普朗克公式的近似
红外物理与技术
第3章 红外辐射基本规律
教学要求
（1）讨论任意物体在热平衡条件下的辐射规律，即 基尔霍夫定律；
（2）讨论黑体的辐射规律，即普朗克公式、维恩位 移定律、斯蒂芬-波尔兹曼定律；
（3）通过确定某温度下物体的光谱发射率，得出任 意物体的辐射特性，并将其与黑体辐射联系起来。
主要内容
3.1 发光类型
黑体对大面积源空腔所张 的半视场角 0
0
2
,
则 sin 20 1
所以有 Eλ Mλ
黑体模型
由 Eλ Mλbb 得： Mλ Mλbb
密闭空腔的光谱 辐射出射度
黑体的光谱辐 射出射度
三.辐射亮度和能量密度的关系
在均匀的辐射场中取一面积元dA，在立体角dΩ内 的辐射功率为：
dP LdA cosd
d
dt时间内通过dA的能量为：
dA
dQ LdA cosddt
cdt
图中 θ 方向的
辐射能量密度为：
dw dQ LdA cosddt Ld
dV dAcdt cos
c
四.黑体为朗伯辐射体
朗伯辐射体的辐射特性是 M L
在处于热平衡的空腔腔壁上任取一点x，根据立体
角投影定理，辐射亮度为 L ，
1
T
1
C2—— 第二辐射常数
c —— 真空光速
h —— 普朗克常数
KB—— 波尔兹曼常数
C1 2hc2 3.7415 108 W m4 m2
C2 hc K B 1.4388104 m K
黑
(W /(cm2 m))
体
光 0.8
的 光 谱 辐
谱 0.7 辐 0.6 射 0.5
射
出 0.4
通过立体角dΩ在 x 点产生的
辐射照度为：
dE Ld cos
dA θ
x 点总的照度：
E
dE
L cosd 2
T
dΩ
X
2
2
E L0 d 0 sin cosd L
辐射场的辐射包含所有方向，因此能量密度：
w
dw
4
Ld c
4L
c
L cw
4
如果辐射都是由频率为 υ 的光子组成的：
w
np h （单位体积的光子数）
A与空腔—— 达到热平衡
A的辐出度正比于A上的照度
M=E
可得：基尔霍夫定律的一种表示
E = M /
式中 是物体A的吸收率。
用光谱量可表示为
M
E
物体A置于等温 真空腔内，物体 吸收腔内辐射的 同时又在发射辐 射，最后与腔壁 达到同一温度。
E = M /
上式表示： 在热平衡条件下，物体的辐出度与其
吸收率的比值等于空腔中的辐照度，与物 体的性质无关。
返回
3.2 基尔霍夫定律
一.基尔霍夫定律是热辐射理论的基础之一， 不仅定量地描述了物体发射能量和吸收能 量间的关系，而且还指出好的吸收体必是 好的发射体。
物体吸收
德国物理学家 基尔霍夫
物体表面反射
能量被透射
当辐射能入射到一物体表面时,能量将发生 3种过程
在热平衡条件下： A发射的功率=吸收的功率
热辐射一般
一般是气体
为高温的情
或金属蒸气
况，通常处
在放电作用
于红外波段，
产生的辉光。
是一种能量
如辉光放电、
交换，即平
电弧放电、
衡辐射 钨丝灯泡发光属于哪类？火花放电等
由预先照射 或不断照射 所引起的， 必须以光的 形式把能量 不断地输送 给发光物体
引言 物体的热辐射是自然界中普遍存在的现象，它
不依赖任何外界条件而进行。一切物体，只要其温 度高于绝对零度都将产生不同程度的辐射。
3.5斯蒂芬—波尔兹曼定律
3.2 基尔霍夫定律
3.6 黑体辐射的计算
3.3 普朗克辐射定律
3.7 辐射效率与辐射对比度
3.4 维恩位移定律
3.8 发射率
3.1 物体发光类型
物体发光要消耗能量，根据消耗的能量分为
物体本 身能量
外界获 取T能itle量in
化学发光
热辐射
其他
电致发光
光致发光
腐木的辉 光、磷在 空气中渐 渐氧化的 辉光等
在 d 的频率范围内，单位体积内的辐射能：
w d
8hv3
c3
eh
1
K BT
dv 1
8hv3
1
w c3 eh KBT 1
以频率为变量 的普朗克公式
w ：单位体积、单位频率间隔内的辐射能，也就是
辐射场的光谱能量密度。
c
d
c
2
d
w
8hc 5
ehc
1
K BT
1
以波长为变量 的普朗克公式
w ：单位体积、单位波长间隔内的辐射能，也是辐