用于声悬浮物体的光纤比色温度计设计

    引言

    声悬浮利用高强度声驻波产生的力来平衡悬浮物的重力。2000 年西北工业大学解文军博士采用单轴式声悬浮器悬浮起了自然界密度最大的金属铱（Ir，密度 22.6 g/cm³）并且利用声悬浮进行了材料的无容器凝固、液体物理参数的非接触测量以及自由液滴动力学研究^[1]。

    用声悬浮对材料进行无容器处理时，材料温度是一个极其重要的参数。一般情况下处于声场中的高温悬浮物体温度在 700～1500K 之间，这个温度范围内常见的温度测量方法有：热电偶测温^[2]，辐射式测温^[3]，超声波测温^[4]。热电偶测温属于接触式测量，不仅响应速度慢、实时性差，而且影响超声波场分布，会使被测物体无法正常悬浮；全波长辐射式测温和亮度测温难以克服物体光谱发射率的影响，精度及可靠性较差；多色测温法系统过于复杂；超声波测温只能测量超声传播方向的平均温度。综上所述，如何在不影响声场的情况下精确测量声悬浮物体温度成了一个难点。

    针对上述难题提出了非接触式光纤比色测温法，这种方法不受热平衡速度以及光谱发射率的影响，而且不会影响声场及悬浮物，可以精确地对悬浮物体进行实时测温。

    1 非接触式光纤比色测温原理

    一切高于 0K 的物体都会向外辐射电磁波。理想黑体的辐射规律可用普朗克黑体辐射公式来表示，当温度高于 700K 时，用维恩近似也能达到很高的精度。对于实际物体，还需要考虑光谱发射率的影响，当绝对温度为 T，辐射波长为λ时，物体的光谱辐出度为：

式中：c₁，c₂分别为第一，第二辐射系数，ε(λ,T)为物体的光谱发射率。ε(λ,T)一般不是常量，它会随物体温度、辐射波长的变化而改变，很难精确地测定。为了克服ε(λ,T)不好测定的难题，可以采用比色测温法。比色测温法选择某一物体在一定温度下的辐射光谱中两辐射波长所对应的两个光谱辐出度，如果两个波长相距较近，则两光谱发射率可近似相等，这时两光谱辐出度相除就可以抵消光谱发射率的影响。用此原理设计光纤比色系统时，设大气的透过率和折射率分别为κ和 1，两个辐射波长分别为λ₁、λ₂，光纤束信号输入端的数值孔径为 NA，光纤束均匀地分成两路，光信号在其中传输的衰减系数分别为α₁、α₂，两滤色片的透过率分别为τ₁、τ₂，光电探测器的响应率分别为 R_v1、R_v2，探测面积分别为 A₁、A₂，考虑到一般物体都满足朗伯余弦定律，则输出电压信号分别为：