光學(xué)測(cè)溫技術(shù)與物理原理分析

朱振一

【摘要】光學(xué)測(cè)溫技術(shù)相比其他測(cè)溫技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)，表現(xiàn)在非接觸測(cè)溫、實(shí)時(shí)測(cè)溫、測(cè)溫?zé)o損等特性，在當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)、軍事等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛.基于此，本文簡(jiǎn)單概述不同光學(xué)測(cè)溫技術(shù)及其物理原理.

【關(guān)鍵詞】光學(xué)測(cè)溫技術(shù);物理原理;紅外;輻射

為了能夠保障物質(zhì)狀態(tài)檢測(cè)的精準(zhǔn)性，必須明確物質(zhì)溫度.特別是工業(yè)飛速發(fā)展的今天，溫度測(cè)量作為工業(yè)生產(chǎn)的重要一環(huán)，具有十分重要的地位.傳統(tǒng)溫度測(cè)試技術(shù)都是接觸式檢測(cè)方法，缺乏動(dòng)態(tài)性、實(shí)時(shí)性，在實(shí)際應(yīng)用中限制性因素較強(qiáng).而光學(xué)測(cè)溫技術(shù)則能夠解決上述問(wèn)題，具有非接觸性、無(wú)損檢測(cè)、實(shí)時(shí)性、迅速記錄溫度的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合微電子、計(jì)算機(jī)、圖像處理技術(shù)等，從而衍生出了多種光學(xué)測(cè)溫技術(shù)，極大地提高了溫度測(cè)試的精準(zhǔn)度、穩(wěn)定性、靈敏度，在多年發(fā)展中其應(yīng)用也更加廣泛.

一、光學(xué)測(cè)溫技術(shù)與物理原理

（一）激光光譜測(cè)溫技術(shù)及其物理原理

該項(xiàng)技術(shù)的物理原理是結(jié)合粒子數(shù)分布、溫度相關(guān)的玻爾茲曼方程.其實(shí)現(xiàn)測(cè)溫功能的方法有以下幾點(diǎn)：（1）激光熒光光譜檢測(cè).將激光照射在檢測(cè)物品上時(shí)，其分子會(huì)被激光發(fā)送到一個(gè)特定能級(jí)上，此能級(jí)會(huì)朝向有選擇的低能級(jí)自發(fā)輻射產(chǎn)生光束，特定能級(jí)粒子數(shù)分布要求能夠滿(mǎn)足玻爾茲曼定律，只要將其分部數(shù)檢測(cè)數(shù)來(lái)，即可根據(jù)定律標(biāo)準(zhǔn)得出最終溫度，這樣即可實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量;（2）拉曼光譜.在不同溫度基礎(chǔ)上，其能級(jí)分布粒子形態(tài)、數(shù)量也不盡相同.兩個(gè)能級(jí)之間的粒子躍遷會(huì)產(chǎn)生拉曼散射，測(cè)量?jī)山M散射光的強(qiáng)弱程度與比值，即可實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量，并且比值會(huì)隨著溫度變化而變化;（3）相干反射托克斯拉曼光譜測(cè)溫.在檢測(cè)物品上照射出兩個(gè)頻率不同的激光，此時(shí)會(huì)生成四波混頻非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng).在能夠滿(mǎn)足檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，兩束光會(huì)產(chǎn)生新頻率的光，也就是相干反托克斯光.結(jié)合熱平衡系統(tǒng)規(guī)律，特定溫度能夠?qū)μ囟◤?qiáng)度的托克斯光做出反應(yīng)，所以只要能夠明確光束強(qiáng)度，即可測(cè)量出溫度.

（二）全息干涉測(cè)溫技術(shù)及其物理原理

該項(xiàng)技術(shù)的原理在于“記錄干涉、重現(xiàn)衍射”.應(yīng)用最為廣泛、成功的一項(xiàng)就是干涉計(jì)量層面.全息干涉測(cè)量物理原理為：在物體沒(méi)有發(fā)生形變前，給物品拍攝一張全息圖，并將圖像放在原來(lái)記錄時(shí)的位置上.確保記錄光光路中所有的元件位置不變，采用原來(lái)參考光照全息圖進(jìn)行對(duì)比，此時(shí)會(huì)在物體位置產(chǎn)生物體形變虛像.在照射物體過(guò)程中，因?yàn)槲矬w受熱會(huì)產(chǎn)生形變，再加上物體光波、實(shí)際物體光波因?yàn)樾巫儐?wèn)題就會(huì)產(chǎn)生相位差，疊加產(chǎn)生出干涉條紋.干涉條紋對(duì)比可以得出物體形變大小，之后結(jié)合形變計(jì)算出溫度，實(shí)現(xiàn)測(cè)量功能.

（三）CCD的三基色測(cè)溫技術(shù)及其物理原理

該項(xiàng)技術(shù)主要是應(yīng)用了CCD獲取物體表面上的三色圖像.并結(jié)合普朗克定律計(jì)算出R，G，B數(shù)值，需要事先掌握第一輻射常數(shù)、第二輻射常數(shù)、混色曲線(xiàn)表達(dá)式、溫度、單色輻射率等.

不同物體具備不同的輻射光譜，并決定了物體自身輻射出來(lái)的色彩，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)色域進(jìn)行對(duì)比即可得到最終測(cè)量數(shù)值.對(duì)物體測(cè)顏色系數(shù)進(jìn)行測(cè)量，即可得到物體自身的輻射率以及溫度系數(shù)，這樣即可對(duì)溫度展開(kāi)測(cè)量.

（四）紅外輻射測(cè)溫技術(shù)

紅外輻射測(cè)溫技術(shù)是由于物體自身溫度以電磁波形式向外發(fā)射能量的物理現(xiàn)象.在檢測(cè)中，只需要保證物體溫度在絕對(duì)零度之上，其表面就會(huì)散發(fā)出紅外輻射，而散發(fā)的輻射值大小與物體自身溫度有著直接關(guān)系，所以可以通過(guò)測(cè)量物體輻射量來(lái)確定物體溫度.

在該項(xiàng)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，需要結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)成像技術(shù)，用于接收物品輻射系數(shù)，采用光電探測(cè)儀把輻射光信號(hào)轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)，此時(shí)信號(hào)會(huì)傳遞給處理電路，儀器計(jì)算之后即可在表盤(pán)上呈現(xiàn)出所測(cè)物體的實(shí)際溫度.

二、光學(xué)溫度計(jì)的物理結(jié)構(gòu)

光學(xué)溫度計(jì)的物理結(jié)構(gòu)主要分為光學(xué)結(jié)構(gòu)和電控結(jié)構(gòu).放大鏡組成了光學(xué)系統(tǒng)，好比是一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡.移動(dòng)目鏡可以看到光亮燈絲影響、被測(cè)對(duì)象影響，二者處于同一個(gè)平面上.這樣即可進(jìn)行燈絲亮度、被測(cè)物體亮度進(jìn)行對(duì)比.如果所測(cè)物體較亮，燈絲會(huì)相對(duì)的變暗;反之，則燈絲成為一條亮線(xiàn).對(duì)滑線(xiàn)電阻進(jìn)行調(diào)整、改變燈絲亮度，讓二者的亮度相同，此時(shí)燈絲影就會(huì)在平面上消失，此時(shí)的毫伏計(jì)指示溫度就等于所測(cè)對(duì)象溫度.

（一）光學(xué)系統(tǒng)

光學(xué)系統(tǒng)主要是目鏡和物鏡構(gòu)成的望遠(yuǎn)系統(tǒng)，原理上測(cè)量距離要大于等于1 m，沒(méi)有距離上限，視度調(diào)節(jié)范圍在-5～5之間，所以物鏡與目鏡焦距調(diào)節(jié)范圍分別在0～30 mm、-10～30之間，溫度測(cè)量范圍在700-1350℃之間.光學(xué)高溫?zé)襞莸奈恢迷谖镧R成像部位，通過(guò)對(duì)目鏡進(jìn)行調(diào)節(jié)可以讓貫徹著更加清晰地看到燈絲、物鏡調(diào)節(jié)位置，這樣即可讓所測(cè)物體更加清晰地呈現(xiàn).光學(xué)測(cè)溫儀器中的目鏡與觀(guān)察孔具有能夠調(diào)節(jié)的濾色片座，溫度測(cè)量過(guò)程中可以把濾色片移入視場(chǎng)中，利用光譜的有效波長(zhǎng)（650 nm），觀(guān)察孔同時(shí)也能夠觀(guān)測(cè)被測(cè)物體和燈絲像，這樣即可全程清晰的觀(guān)測(cè)到燈絲隱滅過(guò)程.

（二）電控結(jié)構(gòu)

電控結(jié)構(gòu)內(nèi)部主要包括可變電阻、高溫計(jì)燈泡、電阻、按鈕開(kāi)關(guān)、磁電式直流表、干電池，并采用導(dǎo)線(xiàn)將其連接成為一個(gè)系統(tǒng)，通過(guò)可變電阻數(shù)值前后調(diào)節(jié)，讓燈絲亮度、所測(cè)土體之間的亮度向均衡，測(cè)量電表為磁電式直流電壓表，直接表示溫度指示值，這樣即可在刻度盤(pán)上直接測(cè)量物體亮度溫度.

三、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，光學(xué)測(cè)溫儀在實(shí)際應(yīng)用中相比其他測(cè)量技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)，不同的光學(xué)測(cè)溫技術(shù)具有不同的特點(diǎn)，所應(yīng)用的領(lǐng)域也存在著差異.未來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，光學(xué)溫度檢測(cè)技術(shù)精度會(huì)進(jìn)一步提高、減少物體發(fā)射率的負(fù)面影響、智能化測(cè)溫，從而發(fā)揮更高的效益.

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