光學(xué)測(cè)溫技術(shù)與物理原理分析

涂全一

摘 要：光學(xué)測(cè)溫技術(shù)是一種非接觸式樣的測(cè)溫技術(shù)形式，具有實(shí)時(shí)性良好、無損害的特點(diǎn)，在社會(huì)發(fā)展的多個(gè)領(lǐng)域中有著十分廣泛的應(yīng)用。從光學(xué)測(cè)溫技術(shù)的應(yīng)用情況和基本載體（光學(xué)測(cè)溫計(jì)）上來看，這項(xiàng)技術(shù)的使用依賴物理原理。為了能夠引導(dǎo)人們更好的應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)形式，文章就光學(xué)測(cè)溫技術(shù)的物理原理展開探究。

關(guān)鍵詞：光學(xué)測(cè)溫計(jì);光學(xué)測(cè)溫技術(shù);物理原理

溫度是確定物質(zhì)基本狀態(tài)的重要參數(shù)之一，在社會(huì)發(fā)展的多個(gè)領(lǐng)域中起著十分重要的作用，特別是在航空航天、材料檢測(cè)、冶金、能源管理等領(lǐng)域發(fā)揮著十分重要的地位和作用。從傳統(tǒng)溫度測(cè)量發(fā)展實(shí)際情況來看，溫度測(cè)量的動(dòng)態(tài)性、時(shí)效性較差，且應(yīng)用范圍局限性也很大。在科技的發(fā)展支持下出現(xiàn)了光學(xué)測(cè)溫技術(shù)，這類技術(shù)和以往的溫度測(cè)量技術(shù)相比具有檢測(cè)無傷害、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、非接觸測(cè)量的優(yōu)勢(shì)。為此，文章從該技術(shù)應(yīng)用的物理角度來就光學(xué)測(cè)溫技術(shù)的應(yīng)用展開探究。

一、光學(xué)測(cè)溫儀計(jì)

光學(xué)測(cè)溫計(jì)在使用的時(shí)候需要是應(yīng)用亮度均衡法來進(jìn)行溫度的測(cè)量，通過亮度均衡法來將溫度成像在高溫計(jì)燈泡燈絲平面上。之后光學(xué)系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)會(huì)比較燈絲和被檢測(cè)物體的表面團(tuán)亮度，之后通過調(diào)節(jié)滑線電阻來調(diào)節(jié)流過燈絲的電流、亮度，實(shí)現(xiàn)燈絲亮度和被檢測(cè)物體亮度的均衡，從而幫助相關(guān)人員更為直接、具體的了解被檢測(cè)物體表面的亮度和溫度。

光學(xué)測(cè)溫儀的結(jié)構(gòu)分為光學(xué)系統(tǒng)和電控系統(tǒng)兩種。第一，光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)由物鏡和目鏡共同組成，是一個(gè)具備遠(yuǎn)觀能力的系統(tǒng)，系統(tǒng)的測(cè)量距離范圍在1m到無線距離之間，溫度的測(cè)量控制范圍在700到1350攝氏度之間，鏡面之間的焦距調(diào)節(jié)范圍在0/-10mm-30mm之間。第二，電控系統(tǒng)。電控系統(tǒng)主要由高溫計(jì)燈泡、可變電阻、按鈕開關(guān)、電阻、磁電式直流電表及干電池等零部件共同組成，通過這種組成能夠有效調(diào)節(jié)變電阻使燈絲亮度與被測(cè)物體的亮度相均衡，進(jìn)而可以幫助人們從高溫計(jì)的刻度盤上直接讀取被測(cè)物的亮度溫度。

二、激光光譜測(cè)溫技術(shù)

激光光譜測(cè)溫技術(shù)的應(yīng)用原理是和粒子數(shù)分布以及和溫度相關(guān)的波爾茨曼方程，具體實(shí)踐操作包含以下幾個(gè)部分：第一，激光熒光光譜測(cè)溫。在激光照射在實(shí)驗(yàn)中需要檢測(cè)物品上的時(shí)候，物品上的分子會(huì)被激發(fā)到一個(gè)指定的能級(jí)上，在這個(gè)能級(jí)上會(huì)向有選擇的低能級(jí)自動(dòng)發(fā)射光譜。物品上的分子分布情況如果符合波爾茨曼定律要求，只要測(cè)出它的分布數(shù)就能夠計(jì)算出溫度。第二，喇曼光譜測(cè)溫。在不同溫度下能級(jí)上存在的粒子數(shù)是不同的，且不同的粒子在不同能級(jí)之間會(huì)出現(xiàn)喇曼散射。在這種情況下通過測(cè)量散射光度強(qiáng)弱和比值就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量。

三、全息干涉測(cè)溫技術(shù)

全息技術(shù)的應(yīng)用原理是干涉記錄、影像再現(xiàn)， 也是當(dāng)前應(yīng)用最為成功的技術(shù)形式之一。這類技術(shù)的應(yīng)用原理是在物體沒有出現(xiàn)變形之前拍攝一張全息圖，將這類全息圖放置在原本信息記錄的位置上，同時(shí)確保記錄光光路中的其他元件位置不會(huì)出現(xiàn)較大的變化。在調(diào)整位置之后應(yīng)用之前的參考光照明全息圖，發(fā)現(xiàn)能夠再現(xiàn)出物體的虛像。在對(duì)物體持續(xù)照射的過程中物體受熱之后會(huì)出現(xiàn)形變現(xiàn)象，再現(xiàn)物體和實(shí)際物體的光波因?yàn)樽冃螘?huì)出現(xiàn)相位差，伴隨出現(xiàn)干涉條紋，借助這種干涉條紋能夠確定物體的最終形變大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體溫度的測(cè)量。

四、基于CCD的三基測(cè)溫技術(shù)

借助CCD技術(shù)獲取物體表面的R、G、B三色圖像，在遵循普朗克定律的情況下根據(jù)分布色的系數(shù)方程對(duì)三色圖像數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。

在（1）c1是第一輻射常數(shù);c2是第二輻射常數(shù);r 、g 和b 是R、C、B數(shù)值的混色曲線表達(dá)式 的波長(zhǎng)，T是溫度 的單色輻射率。根據(jù)上文描述的公式可以發(fā)現(xiàn)，物體因?yàn)樽陨磔椛渌w現(xiàn)出來的色彩深受物體輻射光譜的影響，通過測(cè)量物體的顏色系數(shù)能夠計(jì)算出相應(yīng)的方程組，求解出輻射率和物體的溫度。

五、紅外輻射測(cè)溫技術(shù)

（一）基本理論

從物理學(xué)角度來看，熱輻射是物體以電磁波的形式來向外界發(fā)射能量的物理現(xiàn)象。在一般情況下，物體的溫度如果超過絕對(duì)零度，那么它的溫度和自身所具備的輻射能存在密切的關(guān)聯(lián)，因而通過采取物理措施測(cè)量物體的輻射量就能了解物體的溫度信息。紅外輻射測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用涉及到的理論包含以下幾種：第一，普朗克黑體輻射定律。一個(gè)絕對(duì)溫度是T的黑體，單位表面積在波長(zhǎng) 周圍，在單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)可以向整個(gè)半球空間發(fā)射的輻射 功率為Mb，和波長(zhǎng) 、溫度滿足的關(guān)系如（2）所示。第二，斯蒂芬波爾茨曼定律。這類定律在使用的過程中體現(xiàn)了黑體單位表面積向整個(gè)半球空間發(fā)射所有波長(zhǎng)總輻射率M會(huì)隨著溫度T的變化規(guī)律。第三，朗伯余弦定律。普朗克定律在應(yīng)用的過程中闡述了物體沿著半球方向敷設(shè)總體能量，并向人們明確了各個(gè)方向輻射能的分布情況。結(jié)合這條定律，黑體在任何方向上的輻射強(qiáng)度和總體觀測(cè)方向相對(duì)于輻射表面的夾角來講呈現(xiàn)出一種正比關(guān)系。第四，黑體輻射分布函數(shù)。黑體輻射分布函數(shù)Fb（0- ）代表了在這個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)黑體發(fā)射出輻射能在總體輻射能中所占據(jù)的份額，具體的素質(zhì)可以從普朗克函數(shù)表中查明。

（二）分析計(jì)算

六、結(jié)束語

綜上所述，文章在闡述光學(xué)測(cè)量?jī)x應(yīng)用原理的基礎(chǔ)上，從物理學(xué)的角度就分析了幾種常見的光學(xué)測(cè)溫技術(shù)，從實(shí)際應(yīng)用情況來看，這種類型測(cè)溫技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不同，但是在使用的過程中都具備不直接接觸、動(dòng)態(tài)范圍大的特點(diǎn)，和傳統(tǒng)接觸式的溫度測(cè)量相比顯示出強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。為此，結(jié)合不同溫度測(cè)量要求和測(cè)量條件需要相關(guān)人員選擇相應(yīng)的光學(xué)測(cè)溫技術(shù)，從而更好的發(fā)揮出這項(xiàng)技術(shù)在人們實(shí)際生活中的作用。

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