測(cè)溫槍改進(jìn)

王瑞瀅 彭子涵 許秋媛

摘 要：實(shí)際應(yīng)用中，在對(duì)井進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)常因井口狹窄或井深的緣故，導(dǎo)致測(cè)溫槍的紅外線很難射到井水表面，而是經(jīng)常打到井壁，因?yàn)樗骐x井口過深，很難判斷紅外線光束照射情況，這嚴(yán)重影響了測(cè)溫槍對(duì)井水表面溫度的測(cè)量，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)造成嚴(yán)重誤差。因此研究的目的就是通過改進(jìn)測(cè)溫槍提高它對(duì)井水表面溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性。在實(shí)驗(yàn)中采用紅外線反射從而研究折射率的方法，將溫度測(cè)量與折射率測(cè)量相結(jié)合。經(jīng)過多種方案的研究，最終確定此方案的可行性與簡(jiǎn)便性，確定此研究方向。

關(guān)鍵詞：測(cè)溫槍；測(cè)量；改進(jìn)；紅外線

在暑假的野外實(shí)踐中，因?yàn)槿藶檎{(diào)整測(cè)溫槍的方向的困難，造成對(duì)井溫的多次測(cè)量，十分不便。我們希望對(duì)原有的測(cè)溫槍進(jìn)行改進(jìn)，能夠改變這一狀況。因?yàn)槲覀兊墓ぷ魇菍?duì)原有的儀器進(jìn)行改進(jìn)并加入新的部件，因此，我們需要在精簡(jiǎn)儀器的同時(shí)又能夠起到應(yīng)有的作用，這是我們?cè)诒ＷC新的儀器的功能的同時(shí)，最需要解決的問題。在這個(gè)過程中，我們進(jìn)行了多次探索，否定了數(shù)個(gè)需要對(duì)儀器進(jìn)行大量整改的方案，最終才確定出最精簡(jiǎn)的儀器構(gòu)造方案。我們希望通過我們的研究，解決測(cè)溫槍使用中出現(xiàn)的困難，提高測(cè)溫槍的準(zhǔn)確度，為實(shí)踐的方便與準(zhǔn)確提供技術(shù)支撐。

1.新型紅外線測(cè)溫槍的構(gòu)成

1.1關(guān)于紅外線測(cè)溫槍

紅外線測(cè)溫槍的內(nèi)部有著紅外線的光源發(fā)射器，當(dāng)發(fā)射器將紅外線射在目標(biāo)物質(zhì)上，經(jīng)過紅外線的反射，以及紅外線探測(cè)器對(duì)于反射回來的信號(hào)進(jìn)行接收，就能夠快速地知道目標(biāo)物的輻射頻率，以及光譜頻率。然后通過信號(hào)的頻率，紅外線測(cè)溫槍就可以用這些信號(hào)一一對(duì)應(yīng)地模擬目標(biāo)物表面的狀態(tài)以及屬性，而溫度是其最重要的參數(shù)，經(jīng)過紅外線測(cè)溫槍內(nèi)電子系統(tǒng)的處理，就可以非常準(zhǔn)確地測(cè)出物體表面的溫度（這個(gè)技術(shù)其實(shí)就是我們常說的紅外線熱成像技術(shù)，而紅外線測(cè)溫槍正是利用了這種技術(shù)）。

1.2關(guān)于紅外線接收裝置

紅外接收電路由紅外接收二極管、三極管或硅光電池組成（也可用線性光敏傳感器代替），它們將紅外發(fā)射器發(fā)射的紅外光轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)再送后置放大器。放大后的電信號(hào)經(jīng)過電子系統(tǒng)處理，可計(jì)算出紅外線測(cè)溫槍發(fā)射的紅外線光強(qiáng)與接收的紅外線光強(qiáng)之比。從而計(jì)算出紅外線在其接觸物體上的反射率（包含大氣散射誤差）并輸出在顯示屏上。

1.3構(gòu)件組合思想

本裝置設(shè)計(jì)的思想是，在紅外線測(cè)溫槍的價(jià)基礎(chǔ)上，添加另一個(gè)紅外線接收器，后添加的接收器負(fù)責(zé)計(jì)算紅外線來回產(chǎn)生的損耗，即反射率的近似值（包含大氣散射誤差），通過觀察反射率大小可以判斷在測(cè)井水表面溫度時(shí)，紅外線是否照射在井水上（避免照射在井壁上而產(chǎn)生誤差）。此設(shè)計(jì)方式既可以避免在實(shí)際工程中因井壁不垂直而產(chǎn)生的誤差，又保證了裝置使用時(shí)的便捷性（體積小）。

2.本裝置的測(cè)量可信度分析

2.1物質(zhì)的光學(xué)常數(shù)分析

圖2 某些礦物的光學(xué)常數(shù)表[2]

圖3 大氣對(duì)紅外光譜的透射曲線[3]

由上圖可知，固體不透明礦物在空氣中的反射率在百分之十幾到百分之幾十之間。石墨在某些情況下反射率很小，但考慮到井壁構(gòu)成中石墨所占百分比可忽略不計(jì)，故可認(rèn)為井壁的反射率也在百分之十幾到百分之幾十之間。而水的折射為1.33，反射率為2.00%（渾濁液體可增加5%）。對(duì)比可知，紅外線在經(jīng)過井壁或井水的反射后被紅外線接收裝置接收，最終顯示在儀器顯示屏上的反射率將分別呈現(xiàn)為兩個(gè)相差較大的范圍，故可以輕易分辨出紅外線是否照射在井水上，從而準(zhǔn)確測(cè)量井水的溫度。

2.2大氣散射誤差

由上圖可知，紅外線在大氣中的透射率可達(dá)到百分之八十及以上，這就說明在實(shí)際工作中紅外線接收裝置能夠接收到反射回來的紅外線。同時(shí)，無論紅外線照射在井壁上還是井水上，紅外線經(jīng)歷的距離差并不是很大，產(chǎn)生大氣散射的誤差幾乎是一樣的。故大氣散射誤差并不影響對(duì)井壁和井水的分辨。

3.創(chuàng)新點(diǎn)

相較于遇到井口狹窄，井道傾斜或彎曲后就會(huì)放棄測(cè)量的現(xiàn)狀，在測(cè)溫槍上加入一個(gè)校正手段后，遇到無法確定目標(biāo)物體是否為水面的狀況時(shí)，就有了校正槍頭的判斷依據(jù)，使實(shí)際工程測(cè)量的進(jìn)行更加順利，測(cè)溫槍的應(yīng)用范圍更加廣泛。

改良起初本想要將折光儀與測(cè)溫槍相結(jié)合，可是折光儀的測(cè)量需有被測(cè)液體的樣本才能進(jìn)行，且折光儀體積略大，與測(cè)溫槍相結(jié)合后會(huì)使測(cè)量工具變得不易攜帶和使用。考慮到由于折光儀與測(cè)溫槍的結(jié)合方案存在著局限性，于是我們從折光儀的原理入手。考慮到測(cè)溫槍是利用紅外線來進(jìn)行測(cè)量，那么也可同時(shí)利用測(cè)溫槍上的紅外線來測(cè)量目標(biāo)物體的折光率。在查閱相關(guān)資料后，我們發(fā)現(xiàn)水與由礦物質(zhì)構(gòu)成的井壁的折光率相差較大，而在測(cè)量時(shí)只需考慮這兩種目標(biāo)物體的折光率，不易產(chǎn)生與這兩種目標(biāo)物體折光率相近的干擾存在。在測(cè)溫槍中加入將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的電子計(jì)算電路，利用該電路將紅外線反射回的光信號(hào)輸出為被測(cè)物體的折光率，即可簡(jiǎn)單明了的判斷是否為所需目標(biāo)物體。此種改良方案只需新增一個(gè)接收端和一個(gè)電子計(jì)算電路，相較于起初的方案更加輕便簡(jiǎn)易，避免了繁瑣的測(cè)量工具改造，可行性也更高。

4.結(jié)束語(yǔ)

我們?cè)诶碚撋涎芯苛藴y(cè)溫槍改進(jìn)的可行性及改進(jìn)后對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用的簡(jiǎn)便性，并認(rèn)為它能對(duì)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性起到很大的作用。進(jìn)一步對(duì)研究的方向建議：在實(shí)際工程中，要求測(cè)溫槍紅外線垂直入射水面，然而生活中的井并不一定是垂直建造的，當(dāng)井壁的傾斜度過大時(shí)，會(huì)迫使測(cè)溫槍紅外線傾斜入射。在這種情況下，紅外線的損耗會(huì)增大，甚至導(dǎo)致紅外線測(cè)溫槍無法準(zhǔn)確測(cè)量，那么是否有一種儀器可以便捷地解決此類問題，有待繼續(xù)研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]挺進(jìn)公司.礦物的反射率解析[DB].2016-04-30/2018-05-03.

[2]虞和濟(jì)、韓慶大、李沈.設(shè)備故障診斷工程[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2001.

作者簡(jiǎn)介：

王瑞瀅（1998，7，2-）女，漢族，河南省鄭州市新港辦事處羅家村，本科生，研究方向：水文與水資源工程

彭子涵（1998，5，22-）女，漢族，河北省石家莊市晉州市通達(dá)路15號(hào)，本科生，研究方向：水文與水資源工程

許秋媛（1998，11，12-），壯族，廣西欽州市欽南區(qū)新興街26號(hào)1幢1單元202室，研究方向：水文與水資源工程