[0001] 本发明涉及验证维恩位移定律的装置及其方法技术领域，特别涉及一种红外点扫描光谱验证维恩位移定律的装置及其方法。

[0002] 热辐射是指任何物体在任何温度下，都会发射不同频率的电磁波的现象。然而，经典理论中的维恩公式和瑞利‑金斯公式并不能完全描绘热辐射曲线的特性。为填补这一理论空白，普朗克于1900年提出了一种新的表达式：

[0003]

[0004] 普朗克得到上述公式后，为寻找公式的理论依据，发现必须使谐振子的能量取分立值，才能得到上述公式，从而开启了量子时代。当热力学温度升高时，与单色辐出度峰值相对应的波长向短波方向移动，这就是维恩位移定律：

[0005] Tλm＝b

[0006] 其中维恩常数b＝2.898×10‑3m·K，峰值波长与温度T成反比。维恩位移定律在红外探测、辐射热传递以及其他多个应用领域中都有重要的作用。其影响远远超出了传统的热力学和统计物理领域，为现代物理学的多个分支提供了关键的理论支持。

[0007] 现有的大部分黑体辐射演示和研究的实验装置，多采用可见光波段探测器测量，想捕捉到辐射峰值左右的完整特征曲线，就要求辐射源温度至少在5000K以上，实现比较困难，且大部分文献中该曲线测量点少、离散不连续、曲线平滑度不足，不能实时显示，波长峰值不易判断。换成低温辐射源，其辐射峰值又落在了红外波段，超出了可见光波段探测器范围，尽管采用红外光谱仪可避免上述缺点可以进行测量，然而其造价昂贵，无法小型化、结构复杂，所以在物理教学课堂上无法直接展示困难，且无法直观说明实验的内部原理，不利于学生对实验的理解。

[0008] 因此，由于现有技术的限制，人们无法解决。

[0046] 下面结合优选的实施例对本发明做进一步详细说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是，本发明显然能够以多种不同于此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

[0047] 附图是本发明的实施例的示意图，需要注意的是，此附图仅作为示例，并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明的实际要求保护范围构成限制。

[0048] 一种红外点扫描光谱验证维恩位移定律的装置，如图1所示，包括光谱发生模块、红外探测模块、移动步进模块以及采集显示模块。如图2、图3所示，所述光谱发生模块包括辐射光源1、光学狭缝3、第一遮光板4、电源5、凸透镜6和分光色散介质7。所述辐射光源1、光学狭缝3、第一遮光板4、凸透镜6以及分光色散介质7依次进行排列，并且所述辐射光源1，光学狭缝3，凸透镜6以及分光色散介质7的下方均通过夹持器2进行固定，保证所述辐射光源1，光学狭缝3，凸透镜6以及分光色散介质7的中心位于同一水平高度。所述辐射光源1经过光学狭缝3聚集以后形成线光源，所述线光源经过所述第一遮光板4，所述第一遮光板4将杂散光减弱，减小杂散光对所述红外探测模块结果的影响。所述线光源经过凸透镜6后形成平行的单色光，所述平行的单色光经过分光色散介质7后形成连续的光谱，所述光谱被所述红外探测模块接收。

[0049] 本发明所述辐射光源1优选为35W卤素灯，所述卤素灯是常见的照明设备，容易获得，且相对廉价，并且所述卤素灯具有可调节的亮度，可以控制辐射的强度。同时卤素灯的辐射是连续谱，而不是离散谱，可以测量不同波长的光在不同温度下的辐射强度，达到验证维恩位移定律正确性的效果。

[0050] 本发明所述电源5优选为可编程直流数控电源，所述电源5与辐射光源1连接，为所述辐射光源1进行供电，保证所述辐射光源1能够进行稳定的发光，保证所述红外探测模块接收到有效的光谱，从而验证维恩位移定律。所述可编程直流数控电源提供与光强度成正比的输出电压，所述输出电压在1.25V和14V之间进行变化。

[0051] 本发明所述分光色散介质7优选100线光栅，并依据公式(1)进行分析：

[0052] d sinθ＝±kλ  (1)

[0053] 其中：d为光栅常数，本发明中选用100线光栅，因此d＝0.01mm；

[0054] k为条纹级数，k＝1；

[0055] λ为波长范围，λ＝(800‑1700)nm；

[0056] θ为衍射角。

[0057] 所述红外探测模块设置在所述光谱发生模块的分光色散介质7的一侧，包括挡片8、第二遮光板9、光电探测器驱动模块10、光电探测器11和线性电源12。如图2、图3所示，所述挡片8、第二遮光板9和光电探测器11向远离所述光谱发生模块的方向依次排列。

[0058] 更为具体的，所述光电探测器11设置在所述光电探测器驱动模块10上，所述光电探测器11与所述分光色散介质7之间的距离L＝170mm；所述光电探测器驱动模块10连接所述光电探测器11，所述光电探测器驱动模块10驱动所述光电探测器11运行采集所述光谱发生模块发出的红外光谱。所述第二遮光板9设置在所述光电探测器11表面，保证所述光谱发生模块发出的红外光谱通过所述光电探测第一遮光板9后能够均匀显示，保证所述光电探测器11接收的光源强度在有效范围之内。所述挡片8放置在所述第二遮光板9与所述光谱发生模块之间，所述挡片8有效减弱主极大光强，防止光强过曝。所述线性电源12与所述光电探测器驱动模块10连接，为所述光电探测器驱动模块10进行供电。所述光电探测器11还与所述采集显示模块连接，将采集到的红外光谱输出至所述采集显示模块。

[0059] 所述红外探测模块设置在所述移动步进模块13上，所述红外探测模块可以跟随所述移动步进模块13进行一维方向的移动，接收所述光谱发生模块发出的红外光谱。

[0060] 本发明所述光电探测器11优选为LSIPD‑A75型InGaAs光电二极管，所述LSIPD‑A75型InGaAs光电二极管的灵敏度覆盖范围为800‑1700nm。由于作为辐射光源1的卤素灯的最高工作温度近似为3000K，理论上，此温度下的普朗克辐射曲线对应的峰值波长约为970nm，而λ＝400nm的二级衍射与λ＝800nm的一级衍射产生相同的衍射角，导致波长与级次可能重叠，为避免此重叠，选取只对800‑1700nm范围敏感的光电二极管，有效排除低波长的高次衍射光。

[0061] 所述移动步进模块13设置在所述红外探测模块的下方，通过所述移动步进模块13的移动，可以调节所述红外探测模块与所述光谱发生模块之间的距离，保证所述红外探测模块能够清晰完整的接收所述光谱发生模块发出的光谱。本发明优选卓立汉光50mm的一维精密平移台作为移动步进模块13。

[0062] 当λ1＝800nm时，根据所述公式(1)，可得出θ1＝4.58857°，由x＝tanθ·L，可得出距离x1＝13.644mm；当λ2＝1700nm时，根据所述公式(1)，可得出θ2＝9.78782°。由x＝tanθ·L，可得出距离x2＝29.327mm。故可得800‑1700nm单边峰值行程距离约为Δx＝x2‑x1＝15.683mm，根据所述单边峰值行程距离选取卓立汉光50mm的一维精密平移台，且为了确保有足够的测量点，选取步进距离为0.025mm。

[0063] 所述采集显示模块包括信号采集器14和信号显示器15。所述信号采集器14采集所述光电探测器11输出的电压强度信号，并将所述电压强度信号输出至所述信号显示器15进行显示，来获取对应波长的光谱曲线，根据光谱曲线对应的波长最大值得到维恩常数测量值，并且根据所述维恩常数测量值与标准值的相对误差，可以验证维恩位移定律。另外所述信号显示器15还与所述电源5连接，实时显示所述电源5的输出电压和电流。

[0064] 所述信号采集板14优选为12位的AD7606电压采集模块。所述信号显示器15优选为可串口通讯的stm32F407开发板，所述串口通信是指串口按位发送和接收字节的通信方式。

[0065] 本发明一种红外点扫描光谱验证维恩位移定律的装置全程采用自动化测量，以降低人为误差的影响。本发明的自动化测量优选LabVIEW，不做具体限制。

[0066] 一种红外点扫描光谱验证维恩位移定律的方法，使用所述一种红外点扫描光谱验证维恩位移定律的装置，如图4所示，具体包括以下步骤：

[0067] 步骤一、依次将所述光谱发生模块，红外探测模块，移动步进模块和采集显示模块进行安装，并定标校准各模块之间的位置；

[0068] 步骤二、所述移动步进模块进行一维方向的移动，所述红外接收模块接收红外光谱并输出至所述采集显示模块，所述采集显示模块测量单色辐出度峰值对应波长最大值λm，并根据维恩位移定律计算维恩常数测量值bm；

[0069] 步骤三、将步骤二得到的维恩常数测量值b1、b2、b3、b4与标准值b进行比较，并由此计算出相对误差，验证维恩位移定律。

[0070] 更为具体的，所述步骤一包括以下步骤，如图5所示：

[0071] 步骤101、将辐射光源牢固地安装在夹持器上，并将所述辐射光源与电源连接；将所述光学狭缝放置在所述辐射光源前，调整辐射光源与狭缝之间的距离，并调整狭缝的宽度；所述第一遮光板放置在所述光学狭缝远离所述辐射光源的一侧上；在所述第一遮光板远离所述辐射光源的一侧依次放置凸透镜、分光色散介质，并调整光学狭缝、凸透镜和分光色散介质之间的距离。

[0072] 步骤102、在分光色散介质远离所述辐射光源的一侧放置挡片，并将光电探测器、光学探测器驱动模块以及线性电源之间进行连接并且固定在移动步进模块上。

[0073] 需要注意的是，所述步骤101和步骤102中所述辐射光源，光学狭缝，凸透镜，分光色散介质以及光电探测器的中心处于同一高度；并且所述分光色散介质与所述光电探测器之间的距离L为预设值，根据所述光电探测器的测量精度进行设定。本发明优选的L＝170mm，保证所述光电探测器能够接收到完整且清晰的光谱。

[0074] 步骤103、连接光电探测器、信号采集器和信号显示器。

[0075] 步骤104、将定标光源替换所述辐射光源，所述红外探测模块接收所述定标光源发出的，经过凸透镜和分光色散介质的光谱，并通过所述采集显示模块进行采集和显示。

[0076] 所述步骤104中所述的定标过程如图6、图7所示，所述定标光源应具有稳定的波长辐射度。本发明所述定标光源优选为二极管泵浦固体DPSS绿光激光器产生的532nm绿光激光笔。

[0077] 所述定标数据曲线如图8所示，波长为532nm的‑1级与+1级主极大分别对应第28点与第768点，由此可得532nm的波长距离主极大长度x：

[0078] (768‑28)×0.025＝18.5mm

[0079] 根据波长λ与波长对应的距离主极大长度x之间的比例关系，得出定标公式，如公式(2)所示，可以精确计算各波长所对应的距离主极大长度：

[0080]

[0081] 如图9所示，所述步骤二具体包括以下步骤：

[0082] 步骤201、将卤素灯作为辐射光源，首先设定所述辐射光源的电压值，并分别记录下此时的所述信号显示器显示的电流，得到所述辐射光源的电阻R。

[0083] 步骤202、通过电阻与温度之间的关系，确定所述辐射光源的温度T。

[0084] 如公式(3)所示进行计算：

[0085]

[0086] 其中，卤素灯在室温20℃下的电阻为预设值，本发明优选的为由m328晶体管测试仪测定，测20组数据后取平均得到的R室温＝0.235Ω。

[0087] 通过电源提供与光强度成正比的输出电压，所述电源的输出电压在1.25V和14V之间进行变化，并通过信号显示器实时读取相应的电压和电流。在设置所述卤素灯电压分别为6.67V、8.00V、9.20V和12.20V的情况下，相应的电流分别为2.165A、2.385A、2.556A和2.970A。利用公式(3)计算得到辐射光源的温度，结果如表1所示，随着电压的升高，所述辐射光源的电阻变大，所述辐射光源的温度升高。

[0088]

[0089]

[0090] 表1不同电压下辐射光源的温度

[0091] 步骤203：启动移动步进模块，使光电探测器沿垂直于光轴方向进行一维平移。同时，使用信号采集器进行数据采集，记录光电探测器的信号强度，获取光谱曲线。

[0092] 步骤204：根据各波长的距离主极大长度与对应波长之间的关系，计算所述步骤203中得到的光谱曲线的各峰值位置所对应的波长λm和各波长λm对应的维恩常数bm。

[0093] 下面结合具体的实施例进行详细的描述，如图10所示，调整所述辐射光源的输入电压值，进行重复实验，并记录所述采集显示模块得到的数据。在保证0级主极大相同的前提下，随着温度的升高，所述辐射光源的单色辐射度峰值对应的波长最大值λm从位置1243移动到位置1214，然后继续移动到位置1190，最终到达位置1178，整体的趋势是向左移动的，而且随着温度升高，这种左移的趋势变得更为缓慢，这符合维恩位移定律的预期。

[0094] 以电压值取8.00V为例进行说明，如图11所示，光电探测器在第438处探测得到主极大位置，在第1214处探测得到1级衍射的峰值，光电探测器每隔0.025mm记录一次数据，故可以计算出这两个点之间的距离：

[0095] x＝(1214‑438)×0.025＝19.4mm

[0096] 根据公式(2)，可计算得出λm＝1115.762nm，再根据公式(4)：

[0097] Tλm＝b  (4)

[0098] 可计算出在8.00V电压下所述辐射光源的维恩常数b＝2.754871×10‑3m·K。

[0099] 如图12～图14所示，分别是6.67V、9.20V、12.20V电压下光电探测器接收到的辐出度曲线，根据公式(2)和公式(4)计算出不同电压下的波长以及维恩常数测量值，如表2所示，随着电压的升高，所述辐射光源的温度升高，所述辐射光源对应的维恩常数变大。

[0100]

[0101] 表2不同电压对应的波长及维恩常数

[0102] 所述步骤三具体为，将计算得到的维恩常数测量值与标准值b＝2.898×10‑3m·K进行比较，根据公式(5)计算出相对误差：

[0103]

[0104] 计算结果如表3所示：

[0105]

[0106] 表3各电压下的维恩常数测量值与标准值之间的相对误差

[0107] 根据表3可知，本发明的实验结果与标准值之间存在一定的偏差，当电压值为8.00V时，所述维恩常数测量值bm最接近所述维恩常数标准值b。实验结果的相对误差大于等于1.0182％，小于等于4.96589％，整体呈现U型。超过阈值，电压越低，相对误差越大；电压越高，相对误差也越大。实验结果表明本发明的一种红外点扫描光谱验证维恩位移定律的装置及其方法的精确度较高，具有一定的可靠性；同时本发明的一种红外点扫描光谱验证维恩位移定律的装置及其方法具有可重复性。

[0108] 本发明所述预设值可以在本发明所述的方法开始前进行修改，根据实际的实验环境进行更改，保证得到清晰完整的红外光谱曲线，在此不做具体限制。但是需要注意的是，所述预设值一旦设定完成，在整个方法过程中就不能再次进行修改。

[0109] 本发明一种红外点扫描光谱验证维恩位移定律的装置及其方法，首先将测量卤素灯的温度转化为测量其电阻，实现了实验测量和计算的简化，解决了由于高温无法直接测量灯丝电阻的问题。其次使用单一探测元素的点接收式光电探测器进行扫描获取特定温度下的光谱曲线，分光后扫描距离长，光谱分辨率高，求得单色辐出度峰值对应波长最大值精度较高，有效降低了测量成本，性价比高。再次通过LabVIEW自动化控制步进电机的进程，实现了数据的精确采集和位置的准确控制，降低了人为误差，实验的精确度较高，实验方法和测量技术能够获得高度准确的结果，并且具有可重复性。最后本发明既可用于研究和探索热辐射在不同材料、不同温度下的光谱特性，又可用于红外热成像、红外传感器等领域，推动相关技术的发展。

[0110] 以上内容是对本发明创造的优选的实施例的说明，可以帮助本领域技术人员更充分地理解本发明创造的技术方案。但是，这些实施例仅仅是举例说明，不能认定本发明创造的具体实施方式仅限于这些实施例的说明。对本发明创造所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干简单推演和变换，都应当视为属于本发明创造的保护范围。