红外基本原理介绍1

谷友蓝色

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·um4
C2-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。 2． 辐射功率随温度的变化规律-斯蒂芬-玻耳兹曼定律
斯蒂芬-玻耳兹曼定律描述的是黑体单位表面积向整个半球空间发射的所有波长的总辐射功率Mb(T)(简称为全辐射度)随其温度的变化规律。因此，该定律为普朗克辐射定律对波长积分得到：
Mb(T)=∫0∞Mλb(T)dλ=σT4
式中σ=π4C1/(15C24)=5.6697×10-8w/(m2·k4)，称为斯蒂芬-玻耳兹曼常数。
斯蒂芬-玻耳兹曼定律表明，凡是温度高于开氏零度的物体都会自发地向外发射红外热辐射，而且，黑体单位表面积发射的总辐射功率与开氏温度的四次方成正比。而且，只要当温度有较小变化时，就将会引起物体发射的辐射功率很大变化。
那么，我们可以想象一下，如果能探测到黑体的单位表面积发射的总辐射功率，不是就能确定黑体的温度了吗？因此，斯蒂芬-玻耳兹曼定律是所有红外测温的基础。

3． 辐射的空间分部规律-朗伯余弦定律


所谓朗伯余弦定律，就是黑体在任意方向上的辐射强度与观测方向相对于辐射表面法线夹角的余弦成正比，如图所示
Iθ=I0COSθ
此定律表明，黑体在辐射表面法线方向的辐射最强。因此，实际做红外检测时。应尽可能选择在被测表面法线方向进行，如果在与法线成θ角方向检测，则接收到的红外辐射信号将减弱成法线方向最大值的COSθ倍。