第三章--辐射测量(

第三章辐射测量（4学时）•通过本章学习了解辐射机理与度量方法，掌握分光辐射仪原理与使用方法。•一.辐射机理与度量：»1辐射机理；»2辐射度量；»3光通量与辐射通量单位之间的换算。•二.分光辐射仪原理与使用方法：»1光照与辐射敏感元件；»2分光辐射仪工作原理；»3LI一1800分光辐射仪应用简介。一.辐射机理与度量•1辐射机理•1）电磁辐射2）热辐射•电磁波中能产生热效应的辐射线。热射线主要包括红外线及一部分可视线。红外线不能直接使空气加热,但当它被周围物体吸收后,辐射能就变成热能,使物体成为二次辐射源。•热辐射的过程可以分为三个阶段：•热物体的表面或接近表面层的热能变成了电磁波状的振动；•此电磁波的振动通过介质空气传播；•最后落在接受辐射热的物体表面，电磁波又能变成热能，被物体吸收•传播速度光速c=λν•量子的能量E=hν频率普朗克常数6.62×10-34J·S波长化学发光：在辐射过程中物质内部发生化学变化的；比如：燃烧光致发光：用外来的光或任何其他辐射不断地或预先地照射物质而使之发光的；比如：荧光、磷光场致发光：由电场作用引起辐射的过程；比如：电弧放电、火花放电、辉光放电阴极发光：通过电子轰击引起固体产生辐射的过程；以上发光统称为非热辐射热辐射强度按波长(频率)的分布和温度有关，高温物体发出的是紫外光。炽热物体发出的是可见光，低温物体发出的是红外光，温度短波长的电磁波的比例。任何物体（气、液、固）在任何温度下，都会有热辐射。热辐射波谱是连续谱，各种波长(频率)都有，但是强度不同。例如加热铁块，随着温度的升高:开始不发光→→→黄白色橙色暗红热辐射红外照相机拍摄的人的头部的热图热的地方显白色，冷的地方显黑色炼钢的热辐射红外夜视仪拍的照片关于热辐射有4个重要规律•1）基尔霍夫（Kirchhoff）辐射定律一个黑白花盘子的两张照片基尔霍夫（GustavRobertKirchhoff,1824～1887）德国物理学家室温下，反射光1100K，自身辐射光原来白底的地方吸收的少（反射的多），发射的光强也就弱；原来黑花纹的部分吸收的多（反射的少），发射的光强也就强；•当热量平衡情况下，即温度保持恒定时，物体的发射率eλ,T和吸收率aλ,T与物体的性质有关，但eλ,T与aλ,T的比值和物体的性质无关。对所有物体而言，此比值只是温度T与波长λ的函数，用下式表示：••式中eλ.T和aλ.T分别为在温度一定时物体对某一波长的辐射能力和吸收率；f（λ.T）为一普适函数。•对于绝对黑体来说，aλ,T=1，所以绝对黑体的发射率就等于Eλ,T。显然，任何物体在某一温度T时，对某一波长λ的发射率与吸收率之比值就等于绝对黑体在同温度T时同一波长λ的发射率。•由此可知：①辐射能力强的物体，其吸收能力也强，反之亦然；•②对于同一物体，在温度T时辐射某一波长的辐射，那么它也吸收这一波长的辐射；•③在同一温度下，任何物体的辐射能力，都小于黑体的辐射能力。),(aT,,TfET欧航局卫星探测到最清晰宇宙微波背景辐射图2009年09月20日01:11新浪科技“普朗克”卫星探测到迄今最清晰宇宙微波背景辐射图，不过首张观测图只覆盖了5%的天域。预计全天域宇宙微波背景辐射图将会在6个月后完成。•2）普朗克辐射分布定律•3）斯蒂芬-玻耳兹曼定律•4）维恩Wien位移定律Stefan（德）Boltzman（奥）——斯特藩—玻耳兹曼常量428Kw/m1067.5斯蒂芬—玻耳兹曼定律和维恩位移定律是测量高温、遥感和红外追踪等的物理基础。总辐出度E与黑体温度的四次方成正比4ETλm=CλTCλ=5.880×1010Hz/Km－峰值波长2辐射度量•农业生物环境工程领域中常用到的描述光照的术语有：•辐射量•光度量•光合作用有效辐射PAR--photosyntheticallyactiveradiation1）辐射量及其单位•辐射能量：以辐射形式发射、转移，或接收的能量。单位：焦耳，J。它只与辐射源本身的温度有关。•辐射通量单位时间内通过某一截面的辐射能。单位为瓦。其中波长为λ的辐射通量与λ值有关。在气象学文献中又常被称为辐射强度（radiantintensity）。•辐射强度（辐射通量密度）：瓦特/平方米。2）辐射测量辐射---太阳辐射、地球辐射、大气辐射太阳直接辐射：指来自日盘0.5°立体角内与该立体角轴垂直的面的太阳辐射。短波辐射长波辐射天空辐射（太阳散射辐射）：•指地平面上收到的来自天穹2π立体角向下的大气等的散射和反射太阳辐射。太阳总辐射：指时平面接收的太阳直接辐射和散射辐射之和。•反射辐射：指地面反射的太阳总辐射。•地球辐射：指由地球（包括大气）放射的辐射。长波辐射表•净辐射：指向下和向上（太阳和地球）辐射之差。•CNR1净辐射仪是用来分析太阳辐射和地球辐射平衡的。通常用于观测地球表面的净辐射。•CNR1输出值的单位是W·m-2，总光谱范围是0.3-50微米（sun：0.3-3，earth：5-50微米）。•CNR1可以分别观测太阳辐射和长波辐射。•太阳辐射----两个CM3辐射强度计（来自天空的，及反射辐射。由这两个值可计算出反射率。•长波辐射----两个CG3辐射强度（来自天空的，来自土壤表面的）。•附加的加温装置可以使CNR1加热而不结露或结霜。•Sensorsensitivities：四个传感器的灵敏度相同。•Pt-100sensortemperaturemeasurement：A级•Accuracyofthetemperaturemeasurement：±2K•Operatingtemperature：-40to70℃常见光感测仪器TES-1300A照度计測量范围：20/200/2000/20000Lux灵敏度：0.01Lux准确度：±3%（＜10,000lux）±4%（＞10,000lux）重复测试：±2%溫度特性：±0.1%/℃取样率：2times/sec.照度计Testo545•多点及时间均值计算•记录功能（3000个读数）•通过testo打印机现场打印数据量程：0.0...100000.0Lux分辨率：+/-1.0Lux（0.0...32000.0Lux）+/-10.0Lux（0.0...100000.0Lux）操作温度：0...+50°C存放温度：-20...+70°CLI-250ALightMeter•TheLI-250ALightMeterisasingle-channelreadoutdevice.•UsetheLI-250AwithaLI-190SAQuantumSensortomeasurePhotosyntheticallyActiveRadiation(PARinnaturalsunlight,underplantcanopies,oringrowthchambersandgreenhouses).•UsetheLI-250AwithaLI-210SAPhotometricSensortomeasurevisibleradiationforlightingstudiesorarchitecturalmodeling.•UsetheLI-250AwithaLI-200SAPyranometertomakesolarirradiancemeasurementsformeteorological,hydrological,orenvironmentalresearch.LI-190QuantumSensor(mmols-1m-2).•MeasurePhotosyntheticallyActiveRadiation•PhotosyntheticPhotonFluxDensity(PPFD),TypicalspectralresponseofLI-CORQuantumSensorsvs.WavelengthandtheIdealQuantumResponse(equalresponsetoallphotonsinthe400-700nmwaveband).wavelengthnanometerPercentrelativeresponseLI-CORQuantumSensorsIdealquantumresponseLI-200PyranometerSensor(Wm-2).•MeasuresTotalSolarRadiationPyranometerspectralresponseisillustratedalongwiththeenergydistributioninthesolarspectrumTheLI-200Pyranometer专为农业，气象，能源和太阳能的研究领域观测太阳辐射而设计。LI-210PhotometricSensor（lux）•MeasuresIlluminanceasRelatedtotheCIEStandardObserverCurvewavelengthnanometerPercentrelativeresponse•TheLI-210PhotometricSensor采用滤光硅光电池二极管为大部分光源提供在±5％范围内与CIE曲线匹配的光谱响应。这种传感器提供不同角度入射辐射的适当的反应。••LI-210PhotometricSensor用于室内和工业照明，户外照明，被动式太阳能，建筑和照明模式，照明工程，需要照度测量的生物科学•光谱辐射度：给定波长在单位波长间隔内的照度，特定波段的照度是指光谱照度在给定波段范围的积分值。可用LI-1800便携式分光辐射仪进行光谱测量，单位为W/（m2·nm）3光通量与辐射通量单位之间的换算。•1.光通量(luminousflux)：•光源所发出的能量，是以电磁波的形式存在，这种能量称爲辐射能量(radiantenergy)，单位(J)•光源每秒所发出的辐射能，则称爲辐射通量(radiantflux)，单位是瓦特（W）。•就同一光源而言，辐射通量大的越大，人眼就会觉的越亮。但辐射通量相同的两个光源，如果发射的是不同波长的光波，对人眼睛所能引起的亮暗度感觉也不一样，也就是说他们有不同的发光效率，发光效率越高，人眼也会觉的越亮。•因此真正影响人眼视觉明暗感受的是辐射通量与发光效率的乘积，也就是我们所说的光通量，单位是流明（lm）。•依据国际规定，波长爲555奈米的单色光的发光效率定爲1，这种波长的单色光每瓦特的辐射通量等于683流明。其他波长的单色光，其发光效率採用发光效率曲线，其光通量可由这个公式求得：•光通量（流明）=683x发光强度x辐射通量（瓦特）•例1:一红灯发出100瓦特、波长爲650奈米的红色光，试求其所发出之光通量。解:650奈米红色光之发光效率为0.1。故此光波1瓦特的辐射通量等于683X0.1=68.3流明，100瓦特的辐射通量等于100X68.3=6830流明。二.分光辐射仪原理与使用方法•1、光照与辐射敏感元件•2、分光辐射仪工作原理•3、LI一1800分光辐射仪应用简介。一.光•光为植物生长中重要的环境因子之一，主要来自于太阳的辐射。太阳的辐射自极长的无线电波(radiowave)、远、中、近红外线、可见光、紫外光..A、B、C、X射线至极短之宇宙线(cosmicray)，为一种连续光谱(图1)，其性质与电波相同，一般称为电磁波。在太阳辐射电磁波中只有三种辐射对植物生长发育最为重要。除了可见光(visiblelight,380～780nm)外，尚有紫外线(ultraviolet,UV,100～380nm)和红外光(infra-red,IR,780～105nm)。•波长在300-400nm的紫外光与700-800nm的近红外线（远红光）会•影响作物的生化反应及其外观。在400-700nm的光线与光合作用有很密切的•关係，此光带的光称为光合作用有效光（PhotosyntheticallyActiveRadiation,•简称PAR）。吾人有兴趣的是PAR范围内光子的数量而非PAR范围内光之照•度；是以较佳之测量应是量测光合作