1. Свойства на електромагнитното излъчване



Дата06.02.2018
Размер170.24 Kb.
#55763
ТипАнализ
1.Свойства на електромагнитното излъчване

  1. Разпространява се със скорост =3.108 m/s

  2. Има много параметри, в които може да се закодира полезната информация

  3. Пространствената плътност на енергията е изключително висока  малки уреди

  4. Всички процеси и явления са математически описания със съответното електро-магнитно излъчване

Деф.: Оптико-електронния уред е такъв уред, на чийто вход постъпва електро-магнитна информация, а обработката се извършва с оптични и електронни елементи.

Изх. у-во



Потребител











Блок за управление на сканирането


Анализатор на изображение




Класификация на ОЕУ:

Разделят се на:



  1. Информационни

  2. Измерителни

  3. Следящи

1.Информационни: предават информация от източника към приемника в съотношение по пространствено-временните координати 1:1, т.е. пространствено-временните съотношения са еднакви. В схемата влиза още един блок по сканирането

Основни изисквания: минимални изкривявания и точно пространствено предаване

2.Измерителни: служат за измерване на някоя от характеристиките на източника  уреди за дистанционно измерване на температура, за измерване на яркост, измерване на цвят и др.

Основни изисквания: максимална точност

3.Следящи:

Основно изискване е следенето и регулирането да бъде в определени граници (диапазон)

Според източника могат да се разделят на:


  1. Пасивни - без собствен източник на излъчване

  2. Активни - със собствен източник. Например лазерни далекомери

Предимства: Активните оптоелектронни устройства са по-точни и са за предпочитане

Пасивните са за военни приложения


2.Основни характеристики и закони на електромагнитното излъчване

Представянето на електромагнитното излъчване става по два начина:

- електромагнитни вълни - характеризират се с дължина на вълната [m][nm] при излъчване само на една дължина на вълната. При 0 - монохроматично излъчване

Енергия на кванта:


h - константа на Планк

h=6,625.10-34 [J.s]


Поток на електро-магнитното излъчване:

Основна величина, която отразява количеството енергия, излъчено, погълнато или пренесено в единица време:




За монохроматично - поток, пренесен от монохроматичното излъчване

Ф - спектрална

плътност на

ел.магн. поток


3.Пространствен ъгъл

Това е част от пространството заключено в определен ъгъл






S- площта отсечена от сфера с радиус L от образуващите.




Връзка между пространствен и равнинен ъгъл.


Интегрира се и се получава:

За малки ъгли <1520 може да се използва

За <10 грешката е под 1%

Пространствен ъгъл във върха на пирамида







3.Пространствена плътност на излъчването (интензитет на излъчването)

Имаме работа с отдалечен източник с малки размери - токов източник (размерите на точковите източници са много по-малки от разстоянието до тях).

Размер на слънцето - 1млн. км.

Разстояние до слънцето - 150млн.км.




Ако в целия пространствен ъгъл потока се разпространява равномерно то

Това показва способността на източника да насища пространството с електромагнитни трептения.


4.Повърхностна плътност на излъчвания поток. Осветеност. Светимост

Възможност за насищане на повърхността с електро-магнитен поток се нарича Повърхностна плътност.


Имаме някаква повърхност, върху която попада електро-магнитен поток. Това се нарича осветеност





Тази формула се използва, когато потока попадне или се излъчва неравномерно от повърхността.

При равномерно излъчване се използва следната формула:

Когато работим с източник и повърностна плътност, тогава говорим за светимост R










Спектъра може да бъде по целия оптичен диапазон. Спектралната плътност на осветеността за определена дължина на вълната (т.е. в много тесен спектрален диапазон) е:



5.Повърхностно-ъглова плътност на излъчвания поток (яркост на източника)

e - направление, чрез което можем да фиксираме пространствения ъгъл 

и да разглеждаме способностите на източника, т.е. възможността от единица площ да насища ъгловата плътност 

N - нормала към повърхността dS


От този израз се получава яркостта на дадения източник. Когато потока се излъчва равномерно в пространството:

, където може да се замести


На базата на този израз различаваме два случая:

- източник, зададен с неговата пространствена плътност






(L-яркост;

I-интензитет на източника)


- ако източника е зададен със своята светимост, т.е.


Също се въвежда спектрална плътност на яркостта:

Човешкото око реагира на яркостта на източниците.



6.Светлинни параметри на излъчването

1.Светлинен поток - за единица е прието въздействието на черно тяло с площ S=0,5305mm2 с температура T=2420 K. (Температура на втвърдяване на платината). Потокът, който се излъчва от такъв обект е 1 лумен (lm)


В целия оптичен диапазон параметрите се описват с горните величини.



2.Светлинна енергия - мярка за определяне на енергията на излъчване. Задава се като:

, където ФV е светлинния поток; t - време; [lm.s]


Електрическите велични са с индекс "е"  Le

Светлинните величини са с индекс "v"  WV



3.Светлинна пространствена плътност (светлинен интензитет)

Представлява възможността на източника на електро-магнитно излъчване да насища пространството със светлинен поток


На всички светодиоди, които работят във видимата област, яркостта се задава в cd



7.Светлинна повърхностна плътност

Отношението на светлинния поток, който попада, респективно се излъчва върху площ S




лукс


Ако излъчването или поглъщането е неравномерно ще има диференциали. Необходимата осветеност за четене е около 30lx. Осветеността от уличното осветление е  10lx. При пълнолуние е от порядъка на 0,10,2 lx. При звезди 1.10-5 lx



8.Светлинна повърхностно-ъглова плътност на излъчване

- Светлинна яркост - способността на определен източник да насища пространството

Числови стойности на някои източници, които въздействат на човешкото око

- яркост на слънцето - 1,65 cd/m2

- яркост на електрожена - 3.108 cd/m2



9.Основни закони на електромагнитното излъчване

1-ви Закон: Съществува голяма грепа източници, за които яркостта на излъчването не зависи от направлението на излъчване. Това са така наречените източници, подчиняващи се на закона на Ламбер, т.е. откъдето и да погледнем този обект яркостта му е една и съща.

Това значи, че ако имаме един източник и наблюдаваме под определен ъгъл  яркостта, ще имаме една окръжност.


В този случай : и
Във второто уравнение при L=const. членът LS е константа при различните ъгли. Следователно:

Т.е. интензитета е пропорционален на cos. Характерно за този тип източници е, че яркостта е константа, а I се изменя по косинус от ъгъла. Условието един източник да не е Ламбертов е да има избрани направления, в които да излъчва или отразява, т.е. огледален ефект.



1.Следствие - ако имаме източник, който излъчва електро-магнитен поток в пространството и ако той е Ламбертов, то в този случай пълния поток в пространството е:

2.Следствие:

Като се замести в първото следствие получаваме:




Тази формула се използва за определяне на яркостта на монитори и т.н.
10. Осветеност на отдалечена повърхност, облъчвана от точков източник

Точков източник е този, на който размерите му са твърде малки.


Задача: Да определим каква е осветеността на тези повърхности, която се създава от този източник на излъчване.


d e елементарен пространствен ъгъл добавен, за да получим потока, който е попаднал върху тази повърхност.

Като се замести в горното уравнение се получава:




Това е т.нар. закон на обратните квадрати на разстоянието - определя се на прлактика осветеността на земната повърхност.

11.Закони на топлинното излъчване

Процесът на превръщане на топлинната енергия в лъчиста се нарича топлинно излъчване. Изменя се само тяхното топлинно състояние. Количеството излъчена топлинна енергия е пропорционално на количеството подадена топлинна енергия.

Всяко тяло, имащо температура различна от абсолютната нула, на практика излъчва топлинен поток. Това излъчване се дължи на непрекъснатото движение на неговите молекули.

1) коеф. на поглъщане - способността на телата да превръщат попадналата върху тях електро-магнитна енергия в топлинен поток - (,Т). Този коефициент показва каква част от падащия електро-магнитен поток се поглъща за съответната дължина на вълната и температура. Тела, които поглъщат изцяло падналия върху тях електро-магнитен поток не съществуват. Такива се създават изкуствено и се наричат абсолятно черно тяло. Всеки един коефициент е от 01 и вътре са всички възможни стойности. Ако =1  целия поток паднал върху тялото е погълнат.

Такова тяло може да представлява някаква кухина с малък входен отвор:

Ако D>>d то вътре след многократно отражение се загубва електро-магнитния поток. Друга възможност е повърхност, която имитира абсолютно черно тяло е няколко ……

За реалните тела <1. Отношението между енергетичната светимост на телата при определена температура и за определена дължина на вълната е константа:

RАЧТ е енергетичната светимост на абсолятно черно тяло. Тази зависимост е на практика закона на Кирхоф за излъчване на телата =1, а за реалните <1.

2)Други коефициенти - на излъчване: характеризира свойствата на телата да излъчват електро-магнитен поток

Коефициента на излъчване е отношението на излъчената енергетична светимост на тялото към максимално възможната енергетична светимост.





Следователно , т.е. коефициента на излъчване е равен на коефициента на поглъщане. Това означава, че колкото по-добре телата поглъщат, толкова по-добре ще излъчват при постоянна температура и постоянна дължина на вълната. От коефициентът на излъчване и законът на Кирхоф следва, че коефициентът на излъчване е равен на коефициентът на поглъщане.



12. Уравнение на Планк

Под действието на топлинна енергия всички тела излъчват електро-магнитен поток. Зависимостта на енергийната светимост, която е при дадена температура се ограничава от уравнението на Планк:



При положение, че с1 =2.hc2 и , в литературата се среща:




Ако скоростта на светлината е с=3.108 m/s

h - константа на Планк h=6,635.10-34 W.s2

k - константа на Болцман k =1,3805 W.s/K

 - константа на Стефан-Болцман =5,66.10-12 [W/cm2.K4 ],

то следва, че:

c1 = 3,74.104 [W.m4 /cm2 ]

c2 = 1,43.104 [m.K]

Г
R(,T)

[W/cm2 .m]


рафически може да се представи със следната диаграма като дава зависимостта от  и T


Отляво на максимума наклона е по-стръмен, т.е. по-бързо се променя енергийната светимост. От дясно изменението е по-бавно. Според уравнението на Планк трябва да изберем в кой диапазон да контролираме яркостта.

13. Закон на Вин

Ако диференцираме дължината на вълната, на която уравнението на Планк има максимум:




Оттук можем да намерим:

Законът на Вин дава дължината на вълната, на която имаме максимум и нейната светимост



Закон на Стефан-Болцман

Ако интегрираме


Следователно пълната енергия, която се излъчва от едно тяло, нагрято до температура Т е равна на Т4.



Пример:Колко е пълният електро-магнитен поток от човешкото тяло



, където S е площта на източника

892W излъчва всеки организъм, ако е абсолютно черно тяло Ф=229,3W

Коефициентът на излъчване на човешкото тяло е 0,20,3.

При 10m човешкото тяло има максимум на излъчване


Това се използва при датчиците за охрана - те работят от 315m

Приведено уравнение на Планк

Основни изводи: Кривите за по-ниска температура са вътре в кривите за по-висока температура, следователно ако искаме за определена дължина на вълната, колкото по-нагрято е тялото, толкова по-силно излъчва за определено време. Приведеното уравнение се получава:




Енергийна светимост:

Това привеждане се прави, защото максимума е единица.




Стойностите на У са зададени в таблица и за всяка една температура трябва да се изчислява дължината на вълната.



14.Излъчване на реалните тела

Реалните тела излъчват по-малък и отличаващ се електро-магнитен поток от този на абсолютно черното тяло.



Селективност - такова излъчване, при което излъчващата способност на тялото се променя в зависимост от . Отнесено към електро-

магнитното излъчване, означава, че

Най-малка селективност притежават

твърдите тела с грапава повърхност.

Сиво тяло (излъчване) - постоянство на

светимостта E на реалното тяло по всички

дължини на вълните


Реалните тела излъчват по начин, по който излъчва и абсолютно черното тяло, но тяхната излъчвателна способност е по-малка. Разликата в светимостта винаги е константа.






15. и 16.Връзка между светлинните и енергиините характеристики на електро-магнитното излъчване

Светлинните характеристики характеризират електро-магнитното излъчване в тесен спектрален диапазон. За да се направи връзка между тях се намират следните зависимости. Човешкото око е чувствително в диапазона от 0,50,6m.






V() е спектралната чувствителност на човешкото око .

K()=KMAX V()

Връзката между енергийните и светлинните величини се записва:



ФV()=ФE().K()

Горната формула изразява т.нар. "относителна видност". ФV() трябва да се нормира спрямо неговия максимум, а ФЕ* означава, че е в относителни единици. Интегрираме по видимата област:


Въвежда се коефициентът ОКО , т.е. КПД на окото. Той представлява отношението на светлинния поток създаден от дадения източник, към пълния поток.

Съответно светлинния поток е:

Прехода между W и lm се прави по този начин. Това е и връзката между енергийните величини и светлинните:

Да се определи на колко е равен коефициента KMAX от използвания еталон:

0 =2,78.10-3 Да се определи пълния енергиен поток ФЕ

T=2042 K (използва се закона на Стефан-Болцман)

SИЗТ=0,53mm




ФV=1lm по дефиниция



Не всички тела се подчиняват на тези закони. Например неоновите лампи и лазерите не се подчиняват.



Графична интерпретация (представяне) на тези резултати

Относителната видност на човешкото око (О) има максимум при 0,5m. ФЕ*() е относителната спектрална плътност на светлинния поток. Тази площ се нарича още ефективен поток - тази част от енергийния поток, която носи принос към енергийния поток. Ако тази спектрална чувствителност не е на окото, а на някакъв фотоприемник - това е начинът да се определи ефективния поток.


17.Взаимодействие на електро-магнитното излъчване със средата, в която се

разпространява

Ще разгледаме промяната на електро-магнитното излъчване, когато то преминава през източника на излъчване. Ако имаме един източник, който излъчва електро-магнитен поток, в момента, в който електро-магнитнто излъчване излезе от източника, то попада в някаква среда, в която се разпространява. Целта е колкото се може по-голяма част от потока да достигне до ФП.



На границата на разпространение част от електро-магнитния поток се отразява - ФОТР().ФОТР() може да бъде различно отразен в зависимост от дължината на вълната. Същата такава част има и в задната част (около 4% от потока, който попада върху тях се отразява). Останалата част от потока влиза в средата на разпространение. Там потокът търпи две промени:



  1. Една част от погока се поглъща и не достига до втората част на разделяне, т.е. затихва по пътя (изгубва се)

  2. Друга част, която е влезнала в средата - ФРАЗСЕЙВ. () се дължи на нееднородност на частиците. Те на практика отразяват

За тези потоци се въвеждат коефициентите:

- коефициент на отражение: () - спектрален коефициент на отражение на средата. Той е специфичен за всяко отделно вещество.






- коефициент на разсейване :



- коефициент на поглъщане:



- спектрален коефициент на пропускане:


Интегрални коефициенти (на отражение, на разсейване, на поглъщане): те представляват интеграла:

По същия начин це формулата за разсейването и за поглъщането.

Трябва да се спазва закона за съхранение на енергията: интегралния коефициент ():

Тези коефициенти позволяват да се направят изчисления за потока, който достига до приемника.


18. Поглъщане на електро-магнитното излъчване в еднородна среда.

Закон на Бугер

Как се променя електро-магнитния поток, когато преминава през конкретна среда? Отговор на този въпрос дава закона на Бугер. Този закон описвазависимостта на големината на електро-магнитния поток, преминаващ през дистанция L на съответната среда. Тази зависимост е за еднородна среда (свойството на електро-магнитния поток да се променя във всички нейни точки). Имаме някаква среда, в която се разпространява електро-магнитен поток - една част се поглъща, разсейва, а друга преминава.


В обема среда няма чужди включвания, т.е. електро-магнитния поток се променя по един и същ начин (Закон на Бугер).

За dl се предполага, че електро-магнитния

поток се променя с dФ(,l). За дистанция

dl потока Ф(,l) се променя с dФ(,l)

Ако предположим, че промяната на потока dФ(,l) е във функция със самата среда може да се напише диференциалното уравнение:


т.е. dФ(,l) е една част от падналия поток. След решаване на диференциалното уравнение се получава една експонента.

т.е. преминавайки разстояние l електро-магнитният поток намалява експоненциално и със съответния коефициент, който с отслабване на монохроматичен поток за единица дължина отчита както разсейването така и поглъщането.


Това е закона на Ламбер-Бугер. Тези коефициенти на отслабване на монохроматичния поток () съдържа двата коефициента. Ако разглеждаме за пълния (сумарния) електро-магнитен поток по всички дължини на вълните:

Решението не е толкова просто, защото  е във функция от дължината на вълната. Този интеграл се решава елементарно, когато коефициентът ()=const. Това е вярно за видимата област от спектъра и следователно може да се постави коефициента В , и за видимата област ще имаме следната зависимост:


Със закона на Бугер се изчислява пропускането на електро-магнитни сигнали. На базата на него работят много уреди и е много приложим.

Определяне на коефициента на пропускане на атмосферата

За лазерните далекомери - лазерният импулс търпи затихвания, разсейвания и т.н. под влияние на атмосферата. През различните участъци на атмосферата се сменят условията. Отразеният импулс търпи отново изменения.

Атмосфера на Земята: газове, малки частици, водни пари, пясък, камъни и т.н. Размерите на частиците са от 0,5m50m. До 3m частиците излизат от човешкия организъм. Основните съставящи на атмосферата са азот, кислород, въглероден диоксид, озон и др.

Определянето на коефициента на пропускане на земната повърхност е сложен процес. Във видимата област се характеризира с метрологична дължина на виждане, т.е. най-голямото разстояние, на което денем се виждат тъмни предмети с размери 0,5 на хоризонта.





A=L., когато е в радиани

За този ъгъл sin=tg=

За определяне на коефициента на

пропускане на атмосферата се използват най-различни приоми, които няма да бъдат разглеждани.



19. Източници на излъчване на електро-магнитен поток. Класификация на източниците на излъчване

В зависимост от страната, от която поглеждаме на източниците, в най-общ план те се делят на две големи групи:

1)Естествени източници - природни - електро-магнитното излъчване е резултат на протичане на природните процеси. Тези източници на електро-магнитно излъчване се подчиняват на законите на топлинното излъчване

2)Изкуствени източници - специално създадени за решаване на конкретни задачи. Делят се на няколко подвида.



- еталонни - тези, които са предназначени за измерване и градуиране на различни системи. Проверяват се източници на излъчване и т.н. Представители на тази подгрупа са АЧТ, еталонните лампи и др. топлинни източници.


Сподели с приятели:




©obuch.info 2024
отнасят до администрацията

    Начална страница