光學測溫技術與物理原理分析

涂全一

摘 要：光學測溫技術是一種非接觸式樣的測溫技術形式，具有實時性良好、無損害的特點，在社會發(fā)展的多個領域中有著十分廣泛的應用。從光學測溫技術的應用情況和基本載體（光學測溫計）上來看，這項技術的使用依賴物理原理。為了能夠引導人們更好的應用這項技術形式，文章就光學測溫技術的物理原理展開探究。

關鍵詞：光學測溫計;光學測溫技術;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，在社會發(fā)展的多個領域中起著十分重要的作用，特別是在航空航天、材料檢測、冶金、能源管理等領域發(fā)揮著十分重要的地位和作用。從傳統(tǒng)溫度測量發(fā)展實際情況來看，溫度測量的動態(tài)性、時效性較差，且應用范圍局限性也很大。在科技的發(fā)展支持下出現(xiàn)了光學測溫技術，這類技術和以往的溫度測量技術相比具有檢測無傷害、實時性強、非接觸測量的優(yōu)勢。為此，文章從該技術應用的物理角度來就光學測溫技術的應用展開探究。

一、光學測溫儀計

光學測溫計在使用的時候需要是應用亮度均衡法來進行溫度的測量，通過亮度均衡法來將溫度成像在高溫計燈泡燈絲平面上。之后光學系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)會比較燈絲和被檢測物體的表面團亮度，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，實現(xiàn)燈絲亮度和被檢測物體亮度的均衡，從而幫助相關人員更為直接、具體的了解被檢測物體表面的亮度和溫度。

光學測溫儀的結(jié)構(gòu)分為光學系統(tǒng)和電控系統(tǒng)兩種。第一，光學系統(tǒng)。光學系統(tǒng)由物鏡和目鏡共同組成，是一個具備遠觀能力的系統(tǒng)，系統(tǒng)的測量距離范圍在1m到無線距離之間，溫度的測量控制范圍在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)主要由高溫計燈泡、可變電阻、按鈕開關、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物體的亮度相均衡，進而可以幫助人們從高溫計的刻度盤上直接讀取被測物的亮度溫度。

二、激光光譜測溫技術

激光光譜測溫技術的應用原理是和粒子數(shù)分布以及和溫度相關的波爾茨曼方程，具體實踐操作包含以下幾個部分：第一，激光熒光光譜測溫。在激光照射在實驗中需要檢測物品上的時候，物品上的分子會被激發(fā)到一個指定的能級上，在這個能級上會向有選擇的低能級自動發(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，只要測出它的分布數(shù)就能夠計算出溫度。第二，喇曼光譜測溫。在不同溫度下能級上存在的粒子數(shù)是不同的，且不同的粒子在不同能級之間會出現(xiàn)喇曼散射。在這種情況下通過測量散射光度強弱和比值就能夠?qū)崿F(xiàn)對溫度的測量。

三、全息干涉測溫技術

全息技術的應用原理是干涉記錄、影像再現(xiàn)， 也是當前應用最為成功的技術形式之一。這類技術的應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，同時確保記錄光光路中的其他元件位置不會出現(xiàn)較大的變化。在調(diào)整位置之后應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。在對物體持續(xù)照射的過程中物體受熱之后會出現(xiàn)形變現(xiàn)象，再現(xiàn)物體和實際物體的光波因為變形會出現(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，實現(xiàn)對物體溫度的測量。

四、基于CCD的三基測溫技術

借助CCD技術獲取物體表面的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)方程對三色圖像數(shù)值進行計算。

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)值的混色曲線表達式 的波長，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)，物體因為自身輻射所體現(xiàn)出來的色彩深受物體輻射光譜的影響，通過測量物體的顏色系數(shù)能夠計算出相應的方程組，求解出輻射率和物體的溫度。

五、紅外輻射測溫技術

（一）基本理論

從物理學角度來看，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零度，那么它的溫度和自身所具備的輻射能存在密切的關聯(lián)，因而通過采取物理措施測量物體的輻射量就能了解物體的溫度信息。紅外輻射測溫技術應用涉及到的理論包含以下幾種：第一，普朗克黑體輻射定律。一個絕對溫度是T的黑體，單位表面積在波長 周圍，在單位波長間隔內(nèi)可以向整個半球空間發(fā)射的輻射 功率為Mb，和波長 、溫度滿足的關系如（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半球空間發(fā)射所有波長總輻射率M會隨著溫度T的變化規(guī)律。第三，朗伯余弦定律。普朗克定律在應用的過程中闡述了物體沿著半球方向敷設總體能量，并向人們明確了各個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度和總體觀測方向相對于輻射表面的夾角來講呈現(xiàn)出一種正比關系。第四，黑體輻射分布函數(shù)。黑體輻射分布函數(shù)Fb（0- ）代表了在這個波長范圍內(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）分析計算

六、結(jié)束語

綜上所述，文章在闡述光學測量儀應用原理的基礎上，從物理學的角度就分析了幾種常見的光學測溫技術，從實際應用情況來看，這種類型測溫技術的應用領域不同，但是在使用的過程中都具備不直接接觸、動態(tài)范圍大的特點，和傳統(tǒng)接觸式的溫度測量相比顯示出強大的優(yōu)勢。為此，結(jié)合不同溫度測量要求和測量條件需要相關人員選擇相應的光學測溫技術，從而更好的發(fā)揮出這項技術在人們實際生活中的作用。

參考文獻：

[1]彭利軍， 楊坤濤， 章秀華. 光學測溫技術中的物理原理[J]. 物理測試， 2006， 24（5）：1-4.

[2]陸子鳳. 紅外熱像儀的輻射定標和測溫誤差分析[J].2010.

[3]王玉田， 胡俏麗， 石軍彥. 基于熒光機理的光纖溫度測量儀[J]. 光學學報， 2010， 30（3）：655-659.

[4]宋雪君， 楊顏峰. 輻射溫度的檢測原理及應用[J]. 物理， 1995， 24（7）：417-423.