王瑞瀅 彭子涵 許秋媛

摘 要：實際應(yīng)用中，在對井進行溫度測量時常因井口狹窄或井深的緣故，導(dǎo)致測溫槍的紅外線很難射到井水表面，而是經(jīng)常打到井壁，因為水面離井口過深，很難判斷紅外線光束照射情況，這嚴(yán)重影響了測溫槍對井水表面溫度的測量，對實驗數(shù)據(jù)造成嚴(yán)重誤差。因此研究的目的就是通過改進測溫槍提高它對井水表面溫度測量的準(zhǔn)確性。在實驗中采用紅外線反射從而研究折射率的方法，將溫度測量與折射率測量相結(jié)合。經(jīng)過多種方案的研究，最終確定此方案的可行性與簡便性，確定此研究方向。

關(guān)鍵詞：測溫槍；測量；改進；紅外線

在暑假的野外實踐中，因為人為調(diào)整測溫槍的方向的困難，造成對井溫的多次測量，十分不便。我們希望對原有的測溫槍進行改進，能夠改變這一狀況。因為我們的工作是對原有的儀器進行改進并加入新的部件，因此，我們需要在精簡儀器的同時又能夠起到應(yīng)有的作用，這是我們在保證新的儀器的功能的同時，最需要解決的問題。在這個過程中，我們進行了多次探索，否定了數(shù)個需要對儀器進行大量整改的方案，最終才確定出最精簡的儀器構(gòu)造方案。我們希望通過我們的研究，解決測溫槍使用中出現(xiàn)的困難，提高測溫槍的準(zhǔn)確度，為實踐的方便與準(zhǔn)確提供技術(shù)支撐。

1.新型紅外線測溫槍的構(gòu)成

1.1關(guān)于紅外線測溫槍

紅外線測溫槍的內(nèi)部有著紅外線的光源發(fā)射器，當(dāng)發(fā)射器將紅外線射在目標(biāo)物質(zhì)上，經(jīng)過紅外線的反射，以及紅外線探測器對于反射回來的信號進行接收，就能夠快速地知道目標(biāo)物的輻射頻率，以及光譜頻率。然后通過信號的頻率，紅外線測溫槍就可以用這些信號一一對應(yīng)地模擬目標(biāo)物表面的狀態(tài)以及屬性，而溫度是其最重要的參數(shù)，經(jīng)過紅外線測溫槍內(nèi)電子系統(tǒng)的處理，就可以非常準(zhǔn)確地測出物體表面的溫度（這個技術(shù)其實就是我們常說的紅外線熱成像技術(shù)，而紅外線測溫槍正是利用了這種技術(shù)）。

1.2關(guān)于紅外線接收裝置

紅外接收電路由紅外接收二極管、三極管或硅光電池組成（也可用線性光敏傳感器代替），它們將紅外發(fā)射器發(fā)射的紅外光轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號再送后置放大器。放大后的電信號經(jīng)過電子系統(tǒng)處理，可計算出紅外線測溫槍發(fā)射的紅外線光強與接收的紅外線光強之比。從而計算出紅外線在其接觸物體上的反射率（包含大氣散射誤差）并輸出在顯示屏上。

1.3構(gòu)件組合思想

本裝置設(shè)計的思想是，在紅外線測溫槍的價基礎(chǔ)上，添加另一個紅外線接收器，后添加的接收器負(fù)責(zé)計算紅外線來回產(chǎn)生的損耗，即反射率的近似值（包含大氣散射誤差），通過觀察反射率大小可以判斷在測井水表面溫度時，紅外線是否照射在井水上（避免照射在井壁上而產(chǎn)生誤差）。此設(shè)計方式既可以避免在實際工程中因井壁不垂直而產(chǎn)生的誤差，又保證了裝置使用時的便捷性（體積?。?。

2.本裝置的測量可信度分析

2.1物質(zhì)的光學(xué)常數(shù)分析

圖2 某些礦物的光學(xué)常數(shù)表[2]

圖3 大氣對紅外光譜的透射曲線[3]

由上圖可知，固體不透明礦物在空氣中的反射率在百分之十幾到百分之幾十之間。石墨在某些情況下反射率很小，但考慮到井壁構(gòu)成中石墨所占百分比可忽略不計，故可認(rèn)為井壁的反射率也在百分之十幾到百分之幾十之間。而水的折射為1.33，反射率為2.00%（渾濁液體可增加5%）。對比可知，紅外線在經(jīng)過井壁或井水的反射后被紅外線接收裝置接收，最終顯示在儀器顯示屏上的反射率將分別呈現(xiàn)為兩個相差較大的范圍，故可以輕易分辨出紅外線是否照射在井水上，從而準(zhǔn)確測量井水的溫度。

2.2大氣散射誤差

由上圖可知，紅外線在大氣中的透射率可達到百分之八十及以上，這就說明在實際工作中紅外線接收裝置能夠接收到反射回來的紅外線。同時，無論紅外線照射在井壁上還是井水上，紅外線經(jīng)歷的距離差并不是很大，產(chǎn)生大氣散射的誤差幾乎是一樣的。故大氣散射誤差并不影響對井壁和井水的分辨。

3.創(chuàng)新點

相較于遇到井口狹窄，井道傾斜或彎曲后就會放棄測量的現(xiàn)狀，在測溫槍上加入一個校正手段后，遇到無法確定目標(biāo)物體是否為水面的狀況時，就有了校正槍頭的判斷依據(jù)，使實際工程測量的進行更加順利，測溫槍的應(yīng)用范圍更加廣泛。

改良起初本想要將折光儀與測溫槍相結(jié)合，可是折光儀的測量需有被測液體的樣本才能進行，且折光儀體積略大，與測溫槍相結(jié)合后會使測量工具變得不易攜帶和使用。考慮到由于折光儀與測溫槍的結(jié)合方案存在著局限性，于是我們從折光儀的原理入手?？紤]到測溫槍是利用紅外線來進行測量，那么也可同時利用測溫槍上的紅外線來測量目標(biāo)物體的折光率。在查閱相關(guān)資料后，我們發(fā)現(xiàn)水與由礦物質(zhì)構(gòu)成的井壁的折光率相差較大，而在測量時只需考慮這兩種目標(biāo)物體的折光率，不易產(chǎn)生與這兩種目標(biāo)物體折光率相近的干擾存在。在測溫槍中加入將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的電子計算電路，利用該電路將紅外線反射回的光信號輸出為被測物體的折光率，即可簡單明了的判斷是否為所需目標(biāo)物體。此種改良方案只需新增一個接收端和一個電子計算電路，相較于起初的方案更加輕便簡易，避免了繁瑣的測量工具改造，可行性也更高。

4.結(jié)束語

我們在理論上研究了測溫槍改進的可行性及改進后對實際工程應(yīng)用的簡便性，并認(rèn)為它能對測溫數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性起到很大的作用。進一步對研究的方向建議：在實際工程中，要求測溫槍紅外線垂直入射水面，然而生活中的井并不一定是垂直建造的，當(dāng)井壁的傾斜度過大時，會迫使測溫槍紅外線傾斜入射。在這種情況下，紅外線的損耗會增大，甚至導(dǎo)致紅外線測溫槍無法準(zhǔn)確測量，那么是否有一種儀器可以便捷地解決此類問題，有待繼續(xù)研究。

參考文獻：

[1]挺進公司.礦物的反射率解析[DB].2016-04-30/2018-05-03.

[2]虞和濟、韓慶大、李沈.設(shè)備故障診斷工程[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2001.

作者簡介：

王瑞瀅（1998，7，2-）女，漢族，河南省鄭州市新港辦事處羅家村，本科生，研究方向：水文與水資源工程

彭子涵（1998，5，22-）女，漢族，河北省石家莊市晉州市通達路15號，本科生，研究方向：水文與水資源工程

許秋媛（1998，11，12-），壯族，廣西欽州市欽南區(qū)新興街26號1幢1單元202室，研究方向：水文與水資源工程