超声光栅测量液体温度特性

王 敏

广东工业大学 广东广州 510006

超声光栅测量液体温度特性

王 敏

广东工业大学 广东广州 510006

研究了利用超声波光栅的原理，检测超声波在不同温度纯净水中的传播速度，从而得出纯净水温度与超声波传播速度的经验公式。超声波测温技术是非接触型温度检测技术，超声波测温是近40年发展起来的一种新型的测温技术，其理论基础是超声波传播速度与介质温度有确定关系。该测温系统工作稳定，具备长期自动跟踪测温能力等优点，因而得到了迅速发展和广泛的应用。

超声波；光栅；声速；温度测量

1922年布里渊(L•Brillouin)曾预言，当高频声波在液体中传播时，如果有可见光通过该液体，可见光将产生衍射效应。这一预言在10年后被验证，这一现象被称作声光效应。1935年，拉曼(Raman)和奈斯(Nath)对这一效应进行研究发现，在一定条件下，声光效应的衍射光强分布类似于普通的光栅，所以也称为液体中的超声光栅。

超声波是一种纵向机械应力波。当超声波在盛有液体的玻璃槽中传播时，液体被周期性地压缩或膨胀，其密度会发生周期性的变化，形成疏密波。稀疏作用会使液体密度减小、折射率减小，压缩作用会使液体密度增大、折射率增大。因此液体密度的周期性变化，必然导致其折射率也相应地作周期性变化。当光通过这种液体时，就相当于通过一个透射光栅，因而会发生衍射，这种衍射称为“声光衍射”。存在声波场的介质则称为“声光栅”；当采用超声波时，通常就称为“超声光栅”。

超声波作为一种纵波在液体中传播时，如有平行单色光垂直于超声波传播方向通过这疏密相间的液体时，就会被衍射。根据超 声光栅的原理，可以在分光计上进行声速测量。用不同温度的纯净水做实验，就可以得到其传播速度与温度的关系。本文介绍了利用超声光栅测量声速的原理，然后根据测量结果进行数据拟合得到了传播速度与温度的近似公式。

1 常用的测温方法

温度是表征物体冷热程度的物理量，任意两个冷热程度不同的物体相接触，必然发生热交换现象，热量将由受热程度高的物体传向受热温度低的物体，直到两物体的冷热程度完全一致，即达到热平衡状态为止。利用这一原理，我们可以选择某一物体同被测物体相接触来测量它的温度。当两者达到平衡状态时，选择物体与被测物体温度相等，于是，通过对所选物体的物理参量(如物体的尺寸，密度，电阻率，热电势和热辐射强度等)的测量，便可以定量地给出被测物体的温度数值。

测温方法很多，仅从测量体与被测介质接触与否来分，有接触式测温与非接触式测温两大类。接触式测温是基于热平衡原理，测温敏感元件必须与被测介质接触，使两者处于同一热平衡状态，具有同一温度，如水银温度计、热电偶温度计等就是利用此法测量。非接触式测温是利用物质的热辐射原理，测温元件不需与被测介质接触，而是通过接收被测物体发出的辐射热来判断温度，如辐射温度计，光纤温度计等。接触式测温简单、可靠，且测量精度高。但是，由于测温元件需与被测介质接触后进行热交换，才能达到热平衡，因而产生了滞后现象。另外，由于受到耐高温材料发展的带动，两者测温范围都很广，测温上限原则上不受限制；测温速度也较快，而且可以对运动体进行测量。但是，对于非接触式测温会受到物体的发热率，被测对象到仪表之间的距离、烟尘和水汽等其他介质的影响，一般测温误差较大。

为了改进金属材料的生产与加工过程，在金属材料生产如连铸过程中，液态金属阶段的温度测量与控制对产品质量有着重要的影响。为了克服传统温度计的不足，人们一直在探索如何把超声测温技术应用于金属材料生产过程的液态金属阶段温度的在线检测。

2 实验基本原理

单色平行光λ沿着垂直于超声波传播方向上通过上述液体时，因折射率的周期变化使光波的波阵面产生了相应的位相差，经透镜聚焦出现衍射条纹。这种现象与平行光通过透射光栅的情形相似。因为超声波的波长很短，只要盛装液体的液体槽的宽度能够维持平面波，槽中的液体就相当于一个衍射光栅。途中行波的波长A相当于光栅常数。即

在调好的分光计上，由单色光源和平行光管中的汇聚透镜L1与可调狭缝s组成平行光系统，如图1所示。让垂直通过液槽(PZT)，在玻璃槽的另一侧，用自准望远镜的物镜L2和测微目镜组成望远镜系统。若振荡器使PZT芯片发生超声振动，形成稳定驻波，从测微目镜即可观察到衍射光谱，从图1中可以看出，当小时，有：

图1 超声光栅衍射光路

其中，lk为衍射光谱零级至k级的距离；f为焦距。所以超声波波长：

超声波在液体中传播的速度：

我们可以从超声波在液体中形成的超声光栅的衍射谱中得到超声波的波速。

3 实验数据分析

我们测量了超声波在不同温度下的纯净水中传播时形成的超声光栅对汞光灯和钠光灯的衍射谱，相关数据见表1。在表2中我们列出了不同温度下纯净水中超声波传播速度的平均值。示，黑点是实验的原始数据，实线是对数据线性拟合的结果。

表1 超声波在不同温度下不同光源的传播速度

表2 超声波在不同温度下传播的平均速度

从图2中我们能很清晰的看到，超声波在25～75℃的纯净水中的传播速度随着温度的升高而升高。用最小乘法对实验结果中不同温度下超声波在纯净水中传播的平均速度进行数据拟合，可得此范围内超声波与温度关系的近似解析式为：

在其他液体中，温度与超声波传播速度的关系也有类似上式的函数关系，因此可以猜想液体温度与超声波传播速度的关系式为：

图2 超声波传播速度与温度关系曲线图

4 结束语

我们利用超声光栅进行液体温度的测量，对比传统接触型温度计有着以下优点：

（1）反应速度比较快，可迅速达到热平衡；

（2）不与待测物接触，不会由于测量而影响待测物的温度；

（3）有实现数字化的可能，并进行记录和远传；

（4）测量时接触时间短，可降低对被测物体温度的影响。

因此超声波测温相比传统的测温方法可以达到更快速、更精确、测温范围更宽的要求，以满足工业生产、科学研究中温度精确测量和在线控制的需要，特别是在高温和恶劣的测温环境中。其实超声测温技术经过多年的发展，已开始应用于工业生产与实验室中，成为一种有发展前途的温度检测新方法。本文经过对温度和超声波速度的测量以及公式推导，得出利用光栅法来对超声波的传播速度与介质温度的确定关系来测量温度是比较精确的测温方法。

[1]Goodman,J．W．著，詹达三，董经武，顾本源译.傅里叶光学导论[M].北京：科学出版社，1976

[2]羊国光，宋菲君.高等物理光学[M].安徽：中国科学技术大学出版社，1991

Abstract: In this paper, the principle of ultrasonic grating temperature detection ultrasound in different propagation speed, and purified water temperature is obtained with ultrasonic velocity formula of experience.Ultrasonic temperature measurement technique is contact temperature detection technology, ultrasonic temperature measurement is nearly 40 years of the development of a new kind of temperature measurement technique, is based on the theory of ultrasonic velocity and temperature of the medium is determined. The temperature measurement system with long-term stable operation and automatic tracking temperature measurement ability, thus obtained advantages of rapid development and wide application.

Key words: ultrasonic wave; raster display; velocity of sound; temperature measurement

Ultrasonic grating measuring liquid temperature characteristics

Wang Min
Guangdong university of technology, Guangzhou, 510006, China

2010-08-04

王敏，大专，高级实验师。