光學測溫技術與物理原理分析

朱振一

【摘要】光學測溫技術相比其他測溫技術更具優勢，表現在非接觸測溫、實時測溫、測溫無損等特性，在當今工業生產、軍事等領域應用十分廣泛.基于此，本文簡單概述不同光學測溫技術及其物理原理.

【關鍵詞】光學測溫技術;物理原理;紅外;輻射

為了能夠保障物質狀態檢測的精準性，必須明確物質溫度.特別是工業飛速發展的今天，溫度測量作為工業生產的重要一環，具有十分重要的地位.傳統溫度測試技術都是接觸式檢測方法，缺乏動態性、實時性，在實際應用中限制性因素較強.而光學測溫技術則能夠解決上述問題，具有非接觸性、無損檢測、實時性、迅速記錄溫度的優勢，結合微電子、計算機、圖像處理技術等，從而衍生出了多種光學測溫技術，極大地提高了溫度測試的精準度、穩定性、靈敏度，在多年發展中其應用也更加廣泛.

一、光學測溫技術與物理原理

（一）激光光譜測溫技術及其物理原理

該項技術的物理原理是結合粒子數分布、溫度相關的玻爾茲曼方程.其實現測溫功能的方法有以下幾點：（1）激光熒光光譜檢測.將激光照射在檢測物品上時，其分子會被激光發送到一個特定能級上，此能級會朝向有選擇的低能級自發輻射產生光束，特定能級粒子數分布要求能夠滿足玻爾茲曼定律，只要將其分部數檢測數來，即可根據定律標準得出最終溫度，這樣即可實現溫度測量;（2）拉曼光譜.在不同溫度基礎上，其能級分布粒子形態、數量也不盡相同.兩個能級之間的粒子躍遷會產生拉曼散射，測量兩組散射光的強弱程度與比值，即可實現溫度測量，并且比值會隨著溫度變化而變化;（3）相干反射托克斯拉曼光譜測溫.在檢測物品上照射出兩個頻率不同的激光，此時會生成四波混頻非線性光學效應.在能夠滿足檢測標準時，兩束光會產生新頻率的光，也就是相干反托克斯光.結合熱平衡系統規律，特定溫度能夠對特定強度的托克斯光做出反應，所以只要能夠明確光束強度，即可測量出溫度.

（二）全息干涉測溫技術及其物理原理

該項技術的原理在于“記錄干涉、重現衍射”.應用最為廣泛、成功的一項就是干涉計量層面.全息干涉測量物理原理為：在物體沒有發生形變前，給物品拍攝一張全息圖，并將圖像放在原來記錄時的位置上.確保記錄光光路中所有的元件位置不變，采用原來參考光照全息圖進行對比，此時會在物體位置產生物體形變虛像.在照射物體過程中，因為物體受熱會產生形變，再加上物體光波、實際物體光波因為形變問題就會產生相位差，疊加產生出干涉條紋.干涉條紋對比可以得出物體形變大小，之后結合形變計算出溫度，實現測量功能.

（三）CCD的三基色測溫技術及其物理原理

該項技術主要是應用了CCD獲取物體表面上的三色圖像.并結合普朗克定律計算出R，G，B數值，需要事先掌握第一輻射常數、第二輻射常數、混色曲線表達式、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的色彩，通過標準色域進行對比即可得到最終測量數值.對物體測顏色系數進行測量，即可得到物體自身的輻射率以及溫度系數，這樣即可對溫度展開測量.

（四）紅外輻射測溫技術

紅外輻射測溫技術是由于物體自身溫度以電磁波形式向外發射能量的物理現象.在檢測中，只需要保證物體溫度在絕對零度之上，其表面就會散發出紅外輻射，而散發的輻射值大小與物體自身溫度有著直接關系，所以可以通過測量物體輻射量來確定物體溫度.

在該項技術實際應用當中，需要結合光學系統成像技術，用于接收物品輻射系數，采用光電探測儀把輻射光信號轉變成為電信號，此時信號會傳遞給處理電路，儀器計算之后即可在表盤上呈現出所測物體的實際溫度.

二、光學溫度計的物理結構

光學溫度計的物理結構主要分為光學結構和電控結構.放大鏡組成了光學系統，好比是一臺望遠鏡.移動目鏡可以看到光亮燈絲影響、被測對象影響，二者處于同一個平面上.這樣即可進行燈絲亮度、被測物體亮度進行對比.如果所測物體較亮，燈絲會相對的變暗;反之，則燈絲成為一條亮線.對滑線電阻進行調整、改變燈絲亮度，讓二者的亮度相同，此時燈絲影就會在平面上消失，此時的毫伏計指示溫度就等于所測對象溫度.

（一）光學系統

光學系統主要是目鏡和物鏡構成的望遠系統，原理上測量距離要大于等于1 m，沒有距離上限，視度調節范圍在-5～5之間，所以物鏡與目鏡焦距調節范圍分別在0～30 mm、-10～30之間，溫度測量范圍在700-1350℃之間.光學高溫燈泡的位置在物鏡成像部位，通過對目鏡進行調節可以讓貫徹著更加清晰地看到燈絲、物鏡調節位置，這樣即可讓所測物體更加清晰地呈現.光學測溫儀器中的目鏡與觀察孔具有能夠調節的濾色片座，溫度測量過程中可以把濾色片移入視場中，利用光譜的有效波長（650 nm），觀察孔同時也能夠觀測被測物體和燈絲像，這樣即可全程清晰的觀測到燈絲隱滅過程.

（二）電控結構

電控結構內部主要包括可變電阻、高溫計燈泡、電阻、按鈕開關、磁電式直流表、干電池，并采用導線將其連接成為一個系統，通過可變電阻數值前后調節，讓燈絲亮度、所測土體之間的亮度向均衡，測量電表為磁電式直流電壓表，直接表示溫度指示值，這樣即可在刻度盤上直接測量物體亮度溫度.

三、結束語

綜上所述，光學測溫儀在實際應用中相比其他測量技術更具優勢，不同的光學測溫技術具有不同的特點，所應用的領域也存在著差異.未來，隨著科學技術不斷發展，光學溫度檢測技術精度會進一步提高、減少物體發射率的負面影響、智能化測溫，從而發揮更高的效益.

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