应用物理毕业论文：用光谱技术进行精确测温.doc

1、本科毕业论文（20 届）用光谱技术进行精确测温所在学院 专业班级 应用物理 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科毕业论文任务书题目：用光谱技术进行精确测温一、 毕业论文内容及要求1、研究意义现有的温度测量虽然方法各有不同，但却都以假设待测辐射体为黑体为基础。显然，要解决上述问题，就必须摆脱先假设待测辐射体为黑体这一束缚。从测量技术角度，将首次使用多通道图像光谱仪对待测辐射体的光谱进行高灵敏、高分辨的快速测量。然后，通过线下的数据分析和拟合过程确定燃烧的温度，期望能对测温、燃烧等领域提供有价值的信息。2、研究内容通过对钨丝灯、蜡烛以及酒精灯的燃烧光谱的测量和研究，得到相关原子、

2、分子的物理特性和物质结构等方面的微观信息。通过分析其燃烧的特征光谱及其随温度的变化规律，快速而准确地确定不同待测辐射体的温度。3、对学生的要求要求学生端正思想，明确实验目的；希望学生认真刻苦，灵活运用所学过的有关量子力学、光电子技术、电动力学和光谱学等专业课程。掌握与光谱学与光谱技术相关的实验技能；自觉主动地查阅和学习相关的参考资料和文献，主动和指导教师沟通信息，及时汇报研究过程的进展或遇到的问题；写出和合格的毕业论文。天津理工大学 2015 届本科毕业论文二、毕业论文的进度计划及检查情况记录表 序号 起止日期 计划完成内容 实际完成内容 检查日期检查人签名1 2014.11.062015.0

3、2.20开题准备，查阅相关资料和文献2 2015.02.202015.03.05对本题目做深入调研，阅读相关文献并写出开题报告。3 2015.03.052015.03.25学习燃烧光谱的测量原理并作实验设备的调试和优化4 2015.03.252015.04.20完成多种辐射体的辐射光谱的实验采集,进行中期检查6 2015.04.202015.04.30通过数据处理和理论分析，对测温结果进行对比和总结7 2015.04.302015.05.26 完成毕业论文8 2015.05.262015.06.10 准备答辩注：（1）表中“实际完成内容” 、 “检查人签名”栏目要求用笔填写，其余各项均要求打印

4、。（2）毕业设计（论文）任务书一式二份，一份学院系留存，一份发给学生，任务完成后装订在毕业设计说明书（毕业论文）内。天津理工大学 2015 届本科毕业论文天津理工大学本科毕业设计开题报告届:2015 学院:理学院 专业:应用物理学 2015 年 03 月 11 日毕业设计（论文）题目用光谱技术进行精确测温一、课题意义 1. 可以建立了一种以灰体辐射为基础测量温度的新方法，它不仅可以测定辐射体的实时温度，而且可以实现无接触和高精度测量。2. 在现实中，辐射体不可能是绝对黑体，却基本上都是灰体。若能从原理上彻底还原辐射体的光谱属性，将其认定为灰体，直接获得其真实温度是具有很大的实际意义的。3. 可

5、以使非接触式测温摆脱黑体辐射定律的束缚，使得测温更加准确和简捷。4. 可以更加准确的描述灰体的光谱特性，使认识物质内部的能级跃迁得到更加充分的认识。5. 对恶劣的环境和需要非接触测温等领域提供可以依赖的测温方法，使非接触测温领域完全摆脱对黑体的依赖，使灰体得到更加准确的描述。6. 可以让工业、航天器和外太空的测温有了保证更加准确的技术保证。二、国内外发展现状在温度测量领域，国际上采用的测温方法主要有：参考温度法(单色测温法)、比色测温法(双色测温法)、相干反斯托克斯拉曼散色光谱法、激光诱导荧光法、全息干涉测温法和剪切干涉测温法这六类。虽然它们的原理和方法各有不同，也具有一定的互补性，但都以假设

6、待测辐射体是黑体为基础，然后再对其测量结果进行修正。上述测温方法的局限性是明显的，如：对被测辐射体的描述不一定准确，所测温度也只是测辐射体的光学温度，而不是真实温度。这些缺陷不利于它们在现代工业(如：电站或炼钢锅炉等)和航天事业(如：火箭尾翼温度等)等领域的应用。显然，要解决上述问就必须摆脱假设待测辐射体为黑体这一束缚。三、研究内容1.找到可以准确描述灰体辐射的物理模型，其最好能包含有反应辐射体材料特征的参数。2.选取尽可能多的热辐射体，利用先进的可以瞬时得到辐射光谱的 CCD 图像光谱仪测得多种辐射体的辐射光谱，对所选取的物理模型进行拟合得到反映辐射体材天津理工大学 2015 届本科毕业论文

7、料特征的参数。3.利用所选取的物理模型进行测温实验，使其准确性得到进一步的验证。4.对测温结果进行评估，并与世界先进水平进行比较。四、研究方法与步骤1.依据物质的统一性原理，在普朗克黑体辐射公式的基础上类比得出灰体辐射的可能模型。2.利用先进的光谱仪测得多种辐射体的辐射光谱，用所选用的灰体辐射模型进行拟合，得到最佳的物理模型。3.从模型出发对辐射体进行定标，接下来进行测温检验。五、参考文献1 Labergue A, Delconte A, Castanet G, Lemoine F. Experiments in Fluids,2012,52(5):112111322 Lee J, Oh H,

8、 Bae C H. J.Fuel,2012,102(7):2642733 Zhang J, Jing W, Roberts W L, Fang T G. Applied Energy,2013,107(2):52564 Hsu P S, Kulatilaka W D, Gord J R, Roy S. Raman Spectroscope,2013,44:133011385 Lockett R D, Ball D, Robertson G N. Optics and Lasers in Engineering,2013,51(7):9299436 Cheng X F, Xin C Y, Wan

9、g L P. Acta Phys. Sin,2013,62:120702 7 SUN Xiao-gang, DAI Jing-min, CONG Da-cheng, ZHU Zai-xiang(孙晓刚，戴景民，丛大成，褚载祥).Journal of instead and nano wave(红外与纳米波学报),1998,17(6):2212258 Jenkins T P, Hanson R K. Combustion and Flam,2011,126(3):1669 11799 ZHANG Yu-cun, QI Yan-de, FU （ 张玉存，齐艳德，付献斌）. Spectroscopy

10、 and Spectral Analysis (光谱学与光谱分析),2011,31(12):3236324010 Woyed M, Bergmanm V, Stricker W. Temperature (American Institute of Physics),1991:673678 11 Lu Gang, Yan Yong. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2006, 55:13031308指导教师意见签字： 年 月 日天津理工大学 2015 届本科毕业论文用光谱技术进行精确测温摘 要本文建立了一种以灰体辐射为基

11、础测量温度的新方法，它不仅可以测定辐射体的实时温度，而且可以实现无接触和高精度测量。首先，利用多通道 CCD图像光谱仪精确测量辐射体的在较宽波段内的辐射光谱，并将其作为该辐射体的指纹光谱，将其定义为一个等效的灰体；其次，通过对所测光谱的拟合确定该辐射体的灰体辐射模型的系数，从而确定待测辐射体的灰体辐射模型；最后，通过光谱技术与灰体辐射模型的结合确定给定辐射体的任意温度。通过对无火焰和有火焰这两类热辐射体的实验检验，表明该测温方法具有实时、准确和无接触等优点。关键词: 灰体辐射模型 CCD 图像光谱 光谱测温技术 能级跃迁Precise Temperature Measurement with

12、Imaged Spectral Technique*ABSTRACTA new method for temperature measurement is established based on the gray-body radiation, which can not only determine the real-time temperature of thermal source, but also conduct non-contacted temperature measurement with high precision. First, a wide-band emissio

13、n spectrum of the given radiation source is measured precisely with a multi-channel CCD image spectrometer, which is served as its spectral fingerprints for establishing a gray-body radiation model; Secondly, the coefficients introduced in the gray-body radiation model are determined by fitting the

14、measured emission spectrum; Finally, a combination of spectroscopic technique and the gray-body radiation model is employed to measure any temperature of the given radiation source. Having tested on both types of radiation sources, with and without a flame, the 天津理工大学 2015 届本科毕业论文present work has de

15、monstrated that the imaged spectral approach mentioned above can be utilized as a real-time, high precision and non-contacted technique for temperature measurement.Key Words: Gray-body radiation model; CCD imaged spectrum; Spectral technique for temperature measurement; Energy level transition.天津理工大

16、学 2015 届本科毕业论文目 录引言 .1第一章 测温原理及其实验方法 .21.1 灰体的温度模型 .21.2 测温原理 .21.3 实验装置 .3第二章 对两类辐射体的定标 .42.1 测量辐射体的指纹光谱 .4第三章 灰体与黑体辐射规律的对比 .83.1 钨灯灰体模型与黑体的比较 .8第四章 测温结果的检验 .10第五章 结论 .12参考文献 .13附录 .141.通过黑体类比得出灰体辐射模型的公式说明和测温细节 .141.1 符号说明 .141.2 基于黑体辐射公式对比得出非黑体辐射公式和所做分析 .141.3 辐射体参数 （ 反应能级结构）的获得 .1512X,1.3.1 已知温度下

17、测得辐射材料的辐射图谱与非黑体辐射公式进行对比 .152.利用式（2）对钨灯进行拟合和测温程序 .151引 言众所周知，在温度测量领域，国际上采用的测温方法主要有：参考温度法(单色测温法)、比色测温法(双色测温法) 1-3、相干反斯托克斯拉曼散色光谱法 4、激光诱导荧光法 5、全息干涉测温法和剪切干涉测温法这六类。虽然它们的原理和方法各有不同，也具有一定的互补性，但都以假设待测辐射体是黑体为基础，然后再对其测量结果进行修正 6。上述测温方法的局限性是明显的，如：对被测辐射体的描述不一定准确，所测温度也只是测辐射体的光学温度 7-9，而不是真实温度。这些缺陷不利于它们在现代工业(如：电站或炼钢锅

18、炉 10,11 等)和航天事业(如：火箭尾翼温度等)等领域的应用。显然，要解决上述问就必须摆脱假设待测辐射体为黑体这一束缚。在现实中，辐射体不可能是绝对黑体，却基本上都是灰体。若能从原理上彻底还原辐射体的光谱属性，将其认定为灰体，直接获得其真实温度就变成技术问题了。基于上述的物理思想，本文建立了以灰体为基础的测温方法，并分别在钨灯、蜡烛和酒精灯这三种辐射体上进行了实验和验证，取得了令人满意的结果。2第一章 测温原理及其实验方法温度是表征热辐射的物理量，而后者是由辐射体的能级跃迁所致。因此，若要准确测量任意待测辐射体的温度，不仅需要首先获得其辐射光谱，还要进一步将其等效为灰体。其中，将辐射体等效

19、成灰体所利用的模型的可行性将直接决定测温的准确性和可靠性。为此，本节将在黑体辐射公式的基础上建立起灰体的辐射(GBR)模型，依据黑体辐射具有可靠的理论依据，可以确定由黑体辐射模型所演化而来的灰体辐射模型也具有一定的理论依据。接下来需要在实验上验证所建立的灰体辐射模型描述灰体辐射的可行性和依据其进行测温的准确性。1.1 灰体的温度模型若引入两个待定参数 A 和 B，则可将黑体辐射公式扩展为适用于灰体的辐射公式，即：, (1)E5kT8hcI =1e其中 E = hv = hc/ 为辐射的光子能量，A 和 B 都是表征灰体与黑体差别的常数。显然，(1)式中只要令 A=B=1，便简化为熟知的黑体辐射

20、公式。对于任何不同的待测辐射体，只要利用光谱仪测得其辐射光谱 I ，便可通过拟合(1)式得到 A 与 B 的值，从而把辐射体等效成了灰体。由于不同的辐射体对应于不同的 A 和 B，即具有不同的光谱特征，因此通过定标确定其系数 A 和 B 就完全确定了其 GBR 温度模型。1.2 测温原理由于(1)式中的分子部分为常数，仅与辐射光谱的强度相关,所以要设法使其与测温结果无关。为此，本文通过对所测辐射光谱的归一化，将(1)式中所有涉及强度定标的参数(如：光谱仪的灵敏度、辐射体的相对位置等)设为常数 1,如(2)式所示：, (2)E5BkT1I =1e显然，(2)式只与参数 B 相关。于是，经过上述的实验处理，本文的 GBR 测温原理可以归结为如下两个步骤：(1) 用多通道图像光谱仪快速获得多个温度下的待测辐射源的精密辐