超聲光柵測量液體溫度特性

王 敏

廣東工業大學 廣東廣州 510006

超聲光柵測量液體溫度特性

王 敏

廣東工業大學 廣東廣州 510006

研究了利用超聲波光柵的原理，檢測超聲波在不同溫度純凈水中的傳播速度，從而得出純凈水溫度與超聲波傳播速度的經驗公式。超聲波測溫技術是非接觸型溫度檢測技術，超聲波測溫是近40年發展起來的一種新型的測溫技術，其理論基礎是超聲波傳播速度與介質溫度有確定關系。該測溫系統工作穩定，具備長期自動跟蹤測溫能力等優點，因而得到了迅速發展和廣泛的應用。

超聲波；光柵；聲速；溫度測量

1922年布里淵(L?Brillouin)曾預言，當高頻聲波在液體中傳播時，如果有可見光通過該液體，可見光將產生衍射效應。這一預言在10年后被驗證，這一現象被稱作聲光效應。1935年，拉曼(Raman)和奈斯(Nath)對這一效應進行研究發現，在一定條件下，聲光效應的衍射光強分布類似于普通的光柵，所以也稱為液體中的超聲光柵。

超聲波是一種縱向機械應力波。當超聲波在盛有液體的玻璃槽中傳播時，液體被周期性地壓縮或膨脹，其密度會發生周期性的變化，形成疏密波。稀疏作用會使液體密度減小、折射率減小，壓縮作用會使液體密度增大、折射率增大。因此液體密度的周期性變化，必然導致其折射率也相應地作周期性變化。當光通過這種液體時，就相當于通過一個透射光柵，因而會發生衍射，這種衍射稱為“聲光衍射”。存在聲波場的介質則稱為“聲光柵”；當采用超聲波時，通常就稱為“超聲光柵”。

超聲波作為一種縱波在液體中傳播時，如有平行單色光垂直于超聲波傳播方向通過這疏密相間的液體時，就會被衍射。根據超 聲光柵的原理，可以在分光計上進行聲速測量。用不同溫度的純凈水做實驗，就可以得到其傳播速度與溫度的關系。本文介紹了利用超聲光柵測量聲速的原理，然后根據測量結果進行數據擬合得到了傳播速度與溫度的近似公式。

1 常用的測溫方法

溫度是表征物體冷熱程度的物理量，任意兩個冷熱程度不同的物體相接觸，必然發生熱交換現象，熱量將由受熱程度高的物體傳向受熱溫度低的物體，直到兩物體的冷熱程度完全一致，即達到熱平衡狀態為止。利用這一原理，我們可以選擇某一物體同被測物體相接觸來測量它的溫度。當兩者達到平衡狀態時，選擇物體與被測物體溫度相等，于是，通過對所選物體的物理參量(如物體的尺寸，密度，電阻率，熱電勢和熱輻射強度等)的測量，便可以定量地給出被測物體的溫度數值。

測溫方法很多，僅從測量體與被測介質接觸與否來分，有接觸式測溫與非接觸式測溫兩大類。接觸式測溫是基于熱平衡原理，測溫敏感元件必須與被測介質接觸，使兩者處于同一熱平衡狀態，具有同一溫度，如水銀溫度計、熱電偶溫度計等就是利用此法測量。非接觸式測溫是利用物質的熱輻射原理，測溫元件不需與被測介質接觸，而是通過接收被測物體發出的輻射熱來判斷溫度，如輻射溫度計，光纖溫度計等。接觸式測溫簡單、可靠，且測量精度高。但是，由于測溫元件需與被測介質接觸后進行熱交換，才能達到熱平衡，因而產生了滯后現象。另外，由于受到耐高溫材料發展的帶動，兩者測溫范圍都很廣，測溫上限原則上不受限制；測溫速度也較快，而且可以對運動體進行測量。但是，對于非接觸式測溫會受到物體的發熱率，被測對象到儀表之間的距離、煙塵和水汽等其他介質的影響，一般測溫誤差較大。

為了改進金屬材料的生產與加工過程，在金屬材料生產如連鑄過程中，液態金屬階段的溫度測量與控制對產品質量有著重要的影響。為了克服傳統溫度計的不足，人們一直在探索如何把超聲測溫技術應用于金屬材料生產過程的液態金屬階段溫度的在線檢測。

2 實驗基本原理

單色平行光λ沿著垂直于超聲波傳播方向上通過上述液體時，因折射率的周期變化使光波的波陣面產生了相應的位相差，經透鏡聚焦出現衍射條紋。這種現象與平行光通過透射光柵的情形相似。因為超聲波的波長很短，只要盛裝液體的液體槽的寬度能夠維持平面波，槽中的液體就相當于一個衍射光柵。途中行波的波長A相當于光柵常數。即

在調好的分光計上，由單色光源和平行光管中的匯聚透鏡L1與可調狹縫s組成平行光系統，如圖1所示。讓垂直通過液槽(PZT)，在玻璃槽的另一側，用自準望遠鏡的物鏡L2和測微目鏡組成望遠鏡系統。若振蕩器使PZT芯片發生超聲振動，形成穩定駐波，從測微目鏡即可觀察到衍射光譜，從圖1中可以看出，當小時，有：

圖1 超聲光柵衍射光路

其中，lk為衍射光譜零級至k級的距離；f為焦距。所以超聲波波長：

超聲波在液體中傳播的速度：

我們可以從超聲波在液體中形成的超聲光柵的衍射譜中得到超聲波的波速。

3 實驗數據分析

我們測量了超聲波在不同溫度下的純凈水中傳播時形成的超聲光柵對汞光燈和鈉光燈的衍射譜，相關數據見表1。在表2中我們列出了不同溫度下純凈水中超聲波傳播速度的平均值。示，黑點是實驗的原始數據，實線是對數據線性擬合的結果。

表1 超聲波在不同溫度下不同光源的傳播速度

表2 超聲波在不同溫度下傳播的平均速度

從圖2中我們能很清晰的看到，超聲波在25～75℃的純凈水中的傳播速度隨著溫度的升高而升高。用最小乘法對實驗結果中不同溫度下超聲波在純凈水中傳播的平均速度進行數據擬合，可得此范圍內超聲波與溫度關系的近似解析式為：

在其他液體中，溫度與超聲波傳播速度的關系也有類似上式的函數關系，因此可以猜想液體溫度與超聲波傳播速度的關系式為：

圖2 超聲波傳播速度與溫度關系曲線圖

4 結束語

我們利用超聲光柵進行液體溫度的測量，對比傳統接觸型溫度計有著以下優點：

（1）反應速度比較快，可迅速達到熱平衡；

（2）不與待測物接觸，不會由于測量而影響待測物的溫度；

（3）有實現數字化的可能，并進行記錄和遠傳；

（4）測量時接觸時間短，可降低對被測物體溫度的影響。

因此超聲波測溫相比傳統的測溫方法可以達到更快速、更精確、測溫范圍更寬的要求，以滿足工業生產、科學研究中溫度精確測量和在線控制的需要，特別是在高溫和惡劣的測溫環境中。其實超聲測溫技術經過多年的發展，已開始應用于工業生產與實驗室中，成為一種有發展前途的溫度檢測新方法。本文經過對溫度和超聲波速度的測量以及公式推導，得出利用光柵法來對超聲波的傳播速度與介質溫度的確定關系來測量溫度是比較精確的測溫方法。

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[2]羊國光，宋菲君.高等物理光學[M].安徽：中國科學技術大學出版社，1991

Abstract: In this paper, the principle of ultrasonic grating temperature detection ultrasound in different propagation speed, and purified water temperature is obtained with ultrasonic velocity formula of experience.Ultrasonic temperature measurement technique is contact temperature detection technology, ultrasonic temperature measurement is nearly 40 years of the development of a new kind of temperature measurement technique, is based on the theory of ultrasonic velocity and temperature of the medium is determined. The temperature measurement system with long-term stable operation and automatic tracking temperature measurement ability, thus obtained advantages of rapid development and wide application.

Key words: ultrasonic wave; raster display; velocity of sound; temperature measurement

Ultrasonic grating measuring liquid temperature characteristics

Wang Min
Guangdong university of technology, Guangzhou, 510006, China

2010-08-04

王敏，大專，高級實驗師。