表面温度范文
表面温度范文（精选8篇）
表面温度 第1篇
一是来自自然界 (宇宙方面的) , 太阳和其他发光发热的星球每时每分每秒不停地给地球热能, 流星 (及流星雨) 由古到今不停地给大气增加热能。因为它们具有大量的能量, 结果在大气层中燃烧掉, 把这些能量都转变成大气的内能。无数次的森林、草原火灾也增加了大气的内能。无数次的火山爆发的高温岩浆流及火山炭也增加了大气的内能。地热、温泉及海底温泉也在不断放出大量热能。无数次的闪电放出的能量也增加了大气层的内能。由于地球上沙漠面积的扩大和湖泊 (及其他水域) 的干涸和水面的缩小, 白天这些地方吸收太阳的热能比以前增加了, 晚上这些热能又转移到大气中, 增加了大气的内能。从自然界来的能量由古到今连续不断, 量是非常大的, 约占地球及大气层增加内能的90%以上。
二是来自人为的能量。 (1) 近六十年来世界人口增加很快, 由二十亿增加到七十多亿。人多了, 由于吃饭、用火等一系列问题, 烧煤烧柴等大量增加, 同时放出大量的能量, 是六十年前的五到八倍, 致使大气温度升高。 (2) 由于工业生产的大大发展 (全世界性的) , 例如日夜不停的炼钢炼铁……消耗了大量的能量和资源, 同时也放出大量的热能。现在全世界每年生产钢几十亿吨, 生产汽车几千万辆, 生产拖拉机等农用机械几千万辆……在生产过程中向大气中放出的热能是六十年前的几倍到几十倍。 (3) 由于火力发电、水电站、核电站的发展, 由于原子弹、氢弹爆炸实验, 由于在各种战争中各种武器的使用, 由于生产和工程上用火药搞爆破……都发出大量的热能使气温上升。 (4) 各种运输工具的使用:火车、飞机、各种汽车、火箭、军舰、轮船、渔船、潜艇、各种农用机车、摩托车等等在运行中消耗了能量, 也同时放出大量的热能。例如:北京市等大城市每天在公路上运行的汽车就有多少万辆。现在全世界每天在空中飞行的飞机有几万架次, 在水中运行的船、舰有几十万只, 在陆地上行驶的各种车辆有上亿辆…… (5) 全世界由于人口增加人民生活水平的提高, 每年的用电量大大增加 (各种电灯和各种家电的使用) , 在这过程中有相当一部分电能转变为热能, 使大气内能增加。 (6) 由于世界人口的增加, 原来的草原变成耕地或城市, 这些地方白天吸收太阳的热能比草原多很多。晚上这些热能放到大气中, 所以也增加了大气的内能。 (相当于地球上沙漠面积扩大, 沙漠比草原吸收的太阳的热能多, 晚上放出的热能也多) 。 (7) 现在由于交通事业的大发展, 全世界各国的铁路和公路加起来占很大面积, 约有四百万到五百万平方公里。同等面积的铁路白天所吸的太阳热量是同等面积的草地所吸热量的五倍, 同等面积的柏油路白天所吸的太阳热量是同等面积的草地所吸热量的十倍以上。在晚上这些热量又都放出来被大气所吸收。 (8) 由古到今在世界上各种火灾接连不断。如中国的民间火灾每年就有十三万次以上。全世界各国的火灾数加起来一定是一个巨大的天文数字, 在火灾中燃烧了物品而放出了巨大的热能到空气中。由古到今年年不断, 这个能量积累起来也是相当巨大的。这也增加了大气的内能。
以上所讲的这两大方面的原因都不能停下来, 并将继续进行下去, 所以气温有所上升是必然结果。因为能量转化和守恒定律是自然界的规律。气候变化、气温上升是遏制不住的, 是阻挡不了的。人类的力量很小, 是改变不了气候的变化和气温的升高的, 如人有生老病死一样是自然法则, 如果人类想遏制它、阻挡它升高, 那就要劳民伤财, 在经济上有巨大的损失, 结果是瞎子点灯白费蜡, 根本收不到任何效果。科学的宇宙观告诉我们:宇宙中的一切都是在不停地运动和变化的, 这是绝对的。不运动不变化是相对的, 所以气候的变化、气温升高是情理之中的事情。地球的生成大约46亿年了, 在这漫长的岁月里, 地貌和气候已变化多次了。总想四季分明, 日丽风和, 风调雨顺, 五谷丰登, 只能是人类的一厢情愿。但是经过世界各国人民的齐心协力只能使环境不污染或很少污染, 这方面能办到, 能有所成果。
有人看到北极的冰域在不断融化, 冰盖在逐渐缩小, 这也是很正常的, 不应对此惊讶和感到意外, 因为这是符合物理规律的。当水的质量远大于冰的质量时且水的温度在零上几度时, 冰在水中一定要逐渐融化, 这是一个很普通的物理问题, 就是规模大一些而已。
极地和冰川的冰融化能吸收一部分热量, 有调节气候的作用, 如果没有这项事情气候也许不像现在这样, 气温上升更快更高。人类在当前及今后怎样做呢?在心理上有人悲观, 有人恐惧, 认为人类将来的生存活动一定很艰辛。这些都不应当有, 因为气温的上升变化是非常缓慢的, 需要很长时间才有很小的升高, 要几十年才平均上升1℃。所以人类一定能适应这个变化。生物学家有句名言叫适者生存, 从动植物的生长过程和分布区域就可以看出这个问题, 在高山、平原、沙漠、水中都生长着各种植物, 外界条件不同, 但它们都能生长、成熟、结果、生生不息。同样是蛇类, 有的生在热带, 有的生在温带, 有的生在极地, 有的在沙漠中, 有的在水中……这就是适者生存, 说明它们都适应了本地条件了。以人类为例来看, 更是如此, 同样是中国人, 有的在四季如春的昆明市, 有的在高温的海南岛及南洋小岛上, 有的在冰天雪地的黑龙江北部地区, 有的在干旱少雨的沙漠, 有的在江南水乡 (如周庄) , 有的在青藏高原, 有的在天无三日晴的四川……他们都生生不息, 子孙绵绵不断。有人四季在轮船上, 有人常年在飞机或火车上工作。工人、农民、渔夫、机关工作人员、家庭妇女各自条件不同, 但都能生活得很好。有人生在北方后来到南方工作几十年, 有人生在四川、两广地区后来在东北工作几十年, 有人生在上海、苏杭地区, 后来在新疆、内蒙生活几十年, 说明人类跟其他生物一样, 是能很快适应外界环境的, 所以悲观和恐惧的心里都是不应当有的。
有人说由于气温上升极地冰域融化会造成海水上涨, 几十年后冰岛在海水平面之下, 这种说法是不对的。有物理知识的人都知道, 冰密度是0.9, 水密度是1, 也就是说, 体积是一立方米的冰其重量是900公斤, 它在水中浮着, 当全化成水时, 水的体积正好是0.9立方米, 也就是这块冰浸没在水中的体积, 水平面根本不会上升。在哥本哈根会议期间有的岛国的代表当众大哭, 说将来他们的国家会被海水淹没……这种担心是没有必要的, 这种说法也不符合物理规律。
现在电视中说全球海平面正在加速上升, 这种说法是错误的, 是不负责任的说法, 是不符合实际、人云亦云、盲从的表现。我们看一看世界地形图就会知道, 海洋占整个地球表面的70%以上, 海水每上升三厘米时, 所需的水量是个巨大的天文数字。 (用计算机可以算出来) 所以说海平面加速上升的说法是不符合实际的。在世界上哪个国家哪些人经过实际测量出海水平面上升了?请说出具体的人、具体测定的时间地点来。科学的东西必须符合实际, 不能听风就是雨, 不能人云亦云。必须是老石匠打儿子实打实的, 不可有半点虚假。
这种说法能造成人们心理恐惶的危害, 特别是一些岛国的人们听到之后, 感到前程无望了。故这种说法必须纠正。
相反, 气温的上升已给人类带来益处: (1) 天气变暖了, 人们用的防寒物品减少了, 用的取暖燃料减少了, 这样就节省了能源。 (2) 二十年以前天气预报常说来寒流了, 贝加尔湖寒流, 西伯利亚来寒流, 可现在很少听到了。原来松原、白城地区经常刮大风, 女人们都戴头纱, 男人戴帽子、风镜和口罩。现在六级以上大风少很多了, 人们也不戴这些东西了。 (3) 当气温继续升高时, 有些现在不宜人居住的地方, 将来就适合人居住了。有的无霜期短的地方 (如:齐齐哈尔市以北的内蒙和黑龙江北部地区) 将来无霜期延长时, 就适合五谷种植和生长了。但现在就不行, 只能种小麦和黄豆。古书中有“胡天八月即飞雪”的语句, 这说明古时的气温比现在低很多, 古时的天气对人的生活是不利的, 由于气温逐渐上升, 变得越来越对人有利。所以人们应抱乐观态度, 不应悲观和恐惧。
人类当前及今后应注意的事情有以下几件:
1.严格控制人口增长, 抓实抓好计划生育工作。
2.千方百计保证现有耕地面积。
3.控制住沙漠面积的扩大。保护好环境, 不污染环境, 处理好生活垃圾。
4.努力寻找新的能源, 很好地广泛利用太阳能、风能、水流能、温泉及地热等。尽量多用再生能源 (柴草、沼气、无用的木料) 节约地下矿藏能源, (石油、煤、天然气等) 。
5.努力寻求抗旱抗涝办法, 兴修水利, 人工造雨, 尽量做到旱涝保收粮食和其他农产品。
6.多研究海洋, 向海洋发展, 向海洋寻求人生资源。
7.人类要适应自然的规律和变化, 对各种大的自然灾害, 先有预防, 发生之后尽量减少损失, 要研究出几种方案和措施。
8.现在世界上认为气温上升是由于二氧化碳排放量过多造成的温室效应。我认为这是不对的, 不科学的, 是没有理论根据的。中科院有关部门对此应认真研究讨论一下。在人类历史上“地球中心说”曾经统治一千余年, 谁提出反对意见是被杀头的, 结果这种说法被推翻了。因为这是假科学, 不符合实际情况, 所以是站不住脚的。今天这个问题, 我们用科学发展观去认识, 一定能判定出是非对错的。大家都知道氧的分子量是32, 氮的分子量是28, 水的分子量是18, 二氧化碳的分子量是44。大家还知道氧气在大气中的分布是距离地面越高氧气越少, 常说高山缺氧, 高空缺氧, 其原因有二:其一是氧的分子量比氮、水蒸气的分子量大, 其二是植物光合作用时吸收二氧化碳而排出氧气, 植物都生长在地面而不是高空。同理, 二氧化碳在大气中的分布也是在距地面近的地方浓度大, 距地面越高其浓度越小。这样二氧化碳根本不能形成“窒”。没有窒哪里来的温室效应呢。故温室效应的说法是错误的, 是不符合实际情况的。二氧化碳距地面近浓度大才便于植物吸收。如果其在高空时植物怎样去吸收呢。
大家都知道空气的成份主要是氧气、氮气和水蒸气。其中氧气占20%, 氮气和水蒸气各占30%以上, 二者加起来占70%左右, 还有其他一些气体, 如惰性气休 (氩、氦、氪、氙、氡、氖) 占百分比很少, 另外还有些气体如一氧化碳、二氧化硫等等。二氧化碳在空气中只占5%以下, 虽然每天都在产生新的二氧化碳, 但是森林、草原、庄稼等各种植物都吸收二氧化碳, 排出氧气。这样少的二氧化碳就能造成大气温度上升, 这根本就是偏见。如果没有别的政治目的, 这是一种错误的认识, 必须纠正过来才是。
人类对自然现象、自然规律的认识, 需要一个过程, 不能一下子就尽善尽美了, 在人类历史上由古至今在科学上错误的说法很多, 这里不举例说明了。经过人们的反复研究, 错误的认识都改正过来了。这个问题我相信也会得到拨乱反正的。
9.现在我国对高耗能源的厂子关掉一些, 这样做是对的, 一是节省能源, 二是减少二氧化碳的排放量, 减少对空气的污染, 有利于环境和空气清洁, 对人民是有利的, 我是非常赞同的。
1961年5月我在人民大会堂参加一次科技人员会议 (当时我是大三学生, 东北地区参加此会的大学生共四人) 。张爱萍主持会议。聂荣臻做报告, 他号召全国各行各业都要向科学进军。他说在现代科技我们是落后了, 但不能永远落后。我们应向先进的科技学习, 勇当学生, 但不能总当学生, 也要争当先生。中华民族是勤劳、勇敢、智慧的民族。我们的祖先有四大发明;古代有孔子、姜尚、孙子、孔明、华佗、李时珍等优秀人物……
聂老帅又讲毛主席提倡百家争鸣, 真理不怕讨论和辩论, 外国人提出什么看法和说法不一定就是科学的。科学的东西是合理的、进步的、客观存在的……在大的问题上我们应反复思考一下, 看其是否合理, 符合自然规律。这些话我始终牢记在心中, 经反复思考认为世界上的“温室效应”说法是不对的, 不符合客观事实, 也没有理论根据。所以提出自己的看法, 请大家多加指正!
摘要：科学的宇宙观告诉我们, 宇宙中的一切都是在不停地运动和变化的, 这是绝对的。不运动不变化是相对的, 所以气候的变化、气温升高是情理之中的事情。
笔记本电脑表面温度越低越好吗？ 第2篇
我们买电脑时，不仅仅要看电脑的温度问题，也要看看电脑的散热。“散热”这两个字的意思是什么?是指一台电脑将热量导出去的速率。在我看来，散热好的电脑不应该是摸起来很凉的，因为它在第一时间将热量导出去了，它的外壳绝对会有一定的温度，
遇到很凉快的笔记本只有两种可能：
1、笔记本的性能很差(要么是CPU不行，要么是显卡不行，或者都不行)发热量都不高当然凉快啊!
2、C面下面采取了隔热措施，摸起来自然凉快，这样的笔记本相对同价位的其他本本来说性能要低一些。
表面温度 第3篇
煤矿井下隐蔽高温区域探测一直是困扰我国煤矿自燃火灾防治的一大难题,应用热红外成像仪进行探测和分析,定性和定量研究松散煤体有源温度场变化及影响参数,认清和掌握松散煤体内部热量传递规律,对探测井下煤层自燃隐蔽火源具有重要的实际工程应用价值[1]。
红外测温仪以其操作简便、结果直观、响应迅速、非接触测温的特点在各行各业中都得到了广泛的使用。煤科院合肥分院利用红外测温仪在判断电气故障、观察顶板与围岩离层、破碎情况、探火、探水、指导注浆灭火、观察应力等方面都做出了积极的尝试[2]。兖矿集团王振平等系统性的使用红外测温仪进行了井下煤自燃隐蔽火源探测的研究和应用。包括易氧化区域的预防探测,和煤巷近距离自燃火源位置的红外探测与反演研究[3]。
2实验原理及设计
2.1实验原理
实验目的是研究有热源的松散煤体表面温度与热源温度的对应关系,基于以上理论分析,在松散煤体内部人为添加线状热源,给热源输入恒定的电流,使其产生持续稳定的热量,该热量传导到与热源相接触的松散煤体上,部分煤又不断向周围的煤层传递热量,以致整个煤体内部温度场发生变化,通过温度传感器记录温度变化(以备后续实验分析),表面温度也会不断发生变化,到温度场达到稳定,用红外热像仪的红外成像功能,直观地显示出煤层表面的红外辐射情况。
2.2实验条件
为了尽可能的降低外界环境因素对实验准确性的影响,本实验是在特制的不透明封闭空间里进行,封闭的空间很好的减少了空气的流动,实验期间,室内灯光始终处于开启状态,以减少光线强弱变化对实验带来的影响。
2.3实验材料
实验煤样为山东赵楼煤矿1/3气肥煤,破碎至粒度为8-10mm。为了让散煤煤样不跨落,将煤样装在事先做好的能承受相当重量的钢板制成的立方体箱中,钢是热的良导体,为了减小对传热的影响,箱体内部紧贴钢板处再添加了一层绝缘隔热板,顶部盖子揭开以便露出上表面,表面即为红外热像仪观测面。
2.4实验设计
煤体尺寸为60cm60cm40cm,模拟线状加热源,加热棒(功率350W,长28cm,直径1cm)水平居中放置在距表面10cm处,层前后均为30cm,左右均为16cm,图1。温度传感器分别在平行于地面的三个平面分层布置,如图2、3所示。1、2、3号距表面2cm,4、5、6号距表面5cm,7号距表面10cm。红外热像仪固定在距松散煤体表面1.5m处。
3实验过程及结果分析
3.1实验过程
本次实验从2010年11月9日20:00正式开始,加热棒温度为100℃,传感器温度每5分钟自动采集一次。温度场达到稳定状态时,用红外热像仪在松散煤体表面拍照。然后将加热棒温度按50℃的间隔升高到400℃,每当温度场达到稳定状态时用红外热像仪拍照。11月11日21:00实验结束,共经历49小时。
3.2红外照片分析
本次实验共采集到7张红外照片,如图4所示,从红外照片上,可以清楚的看到,当热源为线状时,表面高温区域呈椭圆状,并且随着热源温度的升高,高温区域不断扩大。
3.3加热棒垂直投影区域温度分布规律
红外照片为384288像素,左上角为(0.0)像素点,右下角为(384.288)像素点,利用ThermoProTMTP8红外热像仪自带的分析软件,可以获取每个像素点的温度。根据前期尝试性试验,得知当红外热像仪距被测物1.5m时,照片上7个像素点对应实际1cm,且松散煤体表面中心位置的像素为(185.122)。由于加热棒长28cm,直径1cm,在红外照片上,取(181.24)、(189.24)、(181.220)、(189.220)4个像素点,连接成矩形区域(如上述红外照片所示),即为加热棒在表面的垂直投影区域。
将该区域的温度数据导出,得到7197组温度数据,将水平7组数据取平均值,得到1197组新数据,即为加热棒所对应的温度。达到稳定时温度分布只与由x、y、z方向传入煤体的热量有关系。将像素点延加热棒方向建立横坐标,其垂直投影区域上方顶端为零点,以温度为纵坐标,建立坐标系,得到温度与像素坐标关系,如图5中曲线所示。
从图5中可以看出,与加热棒垂直投影区域温度有较大的波动,总体呈先升高后降低的趋势。根据曲线的变化趋势,利用二次函数:
式中:t加热棒垂直投影区域温度;
x像素坐标;
a、b、c常数系数。
对曲线进行拟合,如图5中黑色曲线所示,拟合曲线基本符合原曲线变化趋势。每条拟合曲线对应的二次函数系数如表2。
3.4热源温度与系数a、b、c的关系
为获得表面温度t与热源温度T的关系,先研究热源温度T与系数a、b、c的关系:由二次函数的性质,可知在公式t=a(x+b)2+c中,a表示该函数的开口程度,-b为该函数的对称轴,c为该函数的最大值。从曲线图上可知,其对称轴基本出现在加热棒中部,因此认为b不随热源温度变化,其值取上述7组b的平均值,为-101.8248。a值与温度T函数曲线如图6,c值与温度T函数曲线如图7。
利用线性插值的方法对a和c进行拟合,得到如下公式:
式中:T热源温度。
将拟合值与实验值进行比较,可知a、b、c的平均误差分别为7.73%、3.52%、2.56%,满足实际需要。
3.5表面温度与热源温度关系
结合上述分析,将公式(1)、(2)、(3)进行联立,得到如下公式:
将上式变形,得:
即为热源温度与表面温度的关系。在利用由公式(4)反推得到的公式(5)进行求解时,由于数据的近似计算,会将误差放大。通过实验数据进行校验,得出公式(5)的误差为9.74%。
4结论
基于上述实验,在保持热源位置不变的情况下,通过改变热源温度,利用红外热像仪对表面温度进行探测,得出如下结论:
(1)当热源为线状时表面高温区域呈椭圆状,并且随着热源温度的升高,高温区域不断扩大。
(2)加热棒垂直投影区域温度t与像素坐标x满足二次函数关系:t=a(x+b)2+c。系数a=-0.000003T+0.0001,b=-101.8248,c=0.0865T+33.686(式中T为热源温度)。
(3)表面温度与热源温度、像素坐标满足关系式:
其计算误差为9.74%。
参考文献
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声表面波无线无源温度监测系统 第4篇
关键词：声表面波,温度监测, 无线无源
0 引言
近年来, 我国快速的现代化发展对电网系统提出了越来越越高的要求, 现代电力朝着高电压和大容量发展。在此背景下, 对电网系统的安全运行提出了更高的要求。随着材料技术、微电子加工技术、信号处理技术等科学技术的飞速发展, 使得在声表面波技术基础上研制出的具有体积小以及可靠性高等优点的声表面波器件在电力通讯领域得到了应用。
由于电网系统中的高压开关柜密闭运行, 人工巡视无法实现, 而它又是电网系统的核心部分之一, 它的安全稳定运行非常重要。作为高压开关柜内的开关触头及母排连接节点更是重要隐患, 当其中某个节点发生氧化腐蚀导致接触电阻增大, 会使其局部温度升高, 从而可能发生火灾等事故, 给电网的运行带来无法预料的后果。对高压开关柜内的触头等位置进行在线温度监测可及时发现异常, 从而可提前维护, 避免事故发生或者减小损失, 提高经济效益和社会效益。 声表面波器件体积小, 因此由其研制出的温度传感器, 适合不同的安装方式, 无线信号传输不受高压开关柜内的结构影响, 并且它无须供电, 耐压高, 高低压隔离, 可免除高压击穿的危险, 可实现连续不断的温度监测, 使其结合计算机技术可以达到高压开关柜内的触头接触点温度在线监测, 很好地解决了电网系统中高压开关柜触头接触点测量存在的问题。
1 无线无源温度监测系统
1.1 声表面波温度传感器无线测温原理
由温度采集器发射一定频率的电磁波信号, 经由无线天线由声表面波温度传感器的叉指换能器接收转换成声表面波, 再由器件反射器发射回叉指换能器, 并重新转换为电磁波信号经由无线天线传回采集器。如果在声表面波温度传感器表面施加有温度参量的扰动, 会引起声波速度的变化, 从而引起接收端反射信号的频率或者相位发生相应的变化, 实现对待测量的无线检测, 声表面波无线测温工作原理见图1。
1.2 系统硬件结构
声表面波无线无源温度监测系统由温度传感器、温度采集器、测温主控制端组成, 如图2所示。温度传感器是触点的温度感知元件, 安装在被监测的触点处。温度采集器用于与一个或者多个温度传感器进行无线通讯以及进行数据的处理, 它一般安装在被测温度传感器的低压侧, 并通过CAN/RS485总线与站内测温主控终端进行通讯。测温主控终端用于将站内所有的温度传感器数据汇总, 可通过网络继续与上一级监控单元通信。
1.3 温度监测系统
一个高压开关柜内安装有若干个温度传感器, 温度传感器的主要功能为检测柜内被测触点的表面温度, 温度采集器获得温度传感器传回的数据, 进行分析和处理, 然后实时输出温度数据, 同时将数据传至测温主控终端。
在系统运行时, 首先通过温度采集器得到各被测触点的表面温度, 然后分别判断温度是否超过设定的报警和预警温度, 如果超过报警温度, 表明该触点温度越限, 则在测温主控终端显示触点报警信息、弹出报警图标、蜂鸣器鸣叫、发出报警短信;如果超过预警温度, 则在测温主控终端显示触点预警信息。温度检测系统工作流程见图3。
1.4 性能指标
2 电网系统测温方案比较
由于电网系统温度监测的特殊性, 通常情况被测触点很多, 位置也千差万别。柜内的电磁干扰很强, 都给柜内触点的温度监测带来一定的困难。目前电网系统中主要的温度监测方案有如下几种:
(1) 有源无线测温。采用电池供电, 利用温度敏感元件和无线通信技术相结合。这种方法无绝缘问题, 测温精度比较高, 缺点是电池寿命有限, 尤其是在高温环境中, 需要定期更换电池, 不利于连续测温。
(2) 红外测温。通过将被测目标的红外辐射能量转换为温度值, 是一种非接触式测量, 也无绝缘问题, 缺点是需要定期巡检, 在线测温成本比较高。
(3) 光纤测温。利用光在光纤中传输产生的散射和光时域反射原理来获取空间温度分布信息, 可在线测温, 温度测量准确, 缺点是存在光纤脏污引起的绝缘隐患。
(4) 无线无源测温。通过声表面波技术, 利用电磁波能量实现测温监控, 无绝缘问题, 温度测量准确, 可连续在线测温, 缺点是对安装要求比较高。
3 声表面波无线无源测温实例
声表面波无线无源温度监控系统应用实例如图4, 将温度传感器固定到被测触点处, 由采集器接收温度传感器传回的数据信息并进行相应的处理, 转换为实测温度, 然后通过RS485总线将数据上传至测温主控终端, 并将采集温度数据保存到主控终端本地数据库中, 作为历史数据方便用户查询使用。见图5中左边为有实时数据显示部分, 右边为历史数据曲线部分。当系统测得某个被测触点温度超出用户设定的报警温度时, 会在界面显示报警信息, 同时蜂鸣器发出报警声音, 并会发出短信通知用户排除故障, 避免重大事故及经济损失。
4 结语
本文提出了一种基于声表面波无线无源温度监控方案。在电力系统中, 如何测量密闭高压开关柜内各个监测点的温度, 一直以来都被广泛关注。基于声表面波技术的无线无源测温技术, 可为电网系统设备被测触点进行实时监测, 对设备的安全运行无任何影响, 目前已经成功应用到云南省一些电网系统的高压开关柜温度监测项目中。由于该技术无线无源的独特优点, 今后可能会成为智能电网中温度测量的一种主流方案, 随着声表面波技术的越来越完善, 它必将为电网系统的安全运行提供更可靠的保障。
参考文献
[1]武以立, 邓盛刚, 王永德.声表面波原理及其在电子技术中的应用[M].北京:国防工业出版社, 1983.
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表面温度 第5篇
关键词：反射隔热涂料,屋顶表面温度,室内温度,屋顶得热
0 引言
反射隔热涂料是指具有较高太阳光反射比和半球辐射率,并产生明显隔热效果的涂料。反射隔热涂料能将太阳辐射能通过光谱反射和远红外热辐射的形式隔绝在涂装物体之外,从而达到节能降温的效果。早在20世纪70年代,美国已开始反射隔热涂料的研究与应用,将之用于减轻“热岛效应”,取得显著的成果,并将其应用于石化、建筑、工业等领域[1]。随着节能减排的逐步深入,利用反射隔热涂料提高建筑节能效果已成为欧美等发达国家与地区的重要举措之一。如美国已建立比较完善的法规、标准、认证、设计、应用等服务体系,有效推动反射隔热涂料在建筑领域的应用[2]。我国也对反射隔热涂料开展大量的研究工作,包括理论模拟[3,4]、效果实测[5]以及功能型反射隔热涂料[6,7,8,9]开发等工作,为其实施应用与后期发展奠定坚实的基础。
国内外的实践研究证明,反射隔热涂料能够显著降低太阳辐照下的建筑物表面温度和室内温度。但是反射隔热涂料的节能降温理论计算方面长期存在较大的分歧。计算方法上,目前可分为稳态传热与非稳态传热,前者与现行节能标准与设计一致,而后者的理论模型更符合实际。计算内容上,为简化计算,则存在忽略半球发射率、围护结构传热系数、风速等因素的影响[3,4]。本文以稳态传热为计算方法,针对以上存在的问题,建立具体的研究模型,研究反射隔热涂料对房屋外表面温度和室内温度的影响,并探讨无致冷与空调致冷条件下反射隔热涂料的降温节能效果。
1 研究模型
建筑物使用反射隔热涂料后,外表面具有较高的反射率和辐射率,最直接的效果体现在降低房屋外表面温度和室内温度。考虑空调致冷情况时,假设室温恒定,则反射隔热涂料对建筑热环境的影响表现在降低屋顶外表面的温度。
假设建筑物无限大(忽略墙体对传热的影响),在太阳辐射下达到热平衡,即达到稳态传热条件,此时屋顶吸收的热量等于屋顶外表面对流换热、屋顶与大气的辐射换热以及屋顶自外向内传递的热量之和,屋顶外表面的温度满足式(1)关系:
式中:ρ——太阳光反射比;
I——太阳能辐射强度,W/m2;
ε——屋顶的半球发射率;
σ——斯特潘-波尔兹曼常数,5.67×10-8J/(s·m2·K4);
Trf——屋顶外表面温度,K;
Tsky——天空辐射温度,K。其值与Ta直接相关;
hc——对流传热系数,W/(m2·K);
Ta——室外温度,K;
Krf——屋顶外表面至室内空气的传热系数,W/(m2·K);
Tm——室内温度,K。
在给定研究条件下,屋顶外表面温度Trf是太阳光反射比ρ、屋顶半球发射率ε、屋顶传热系数K的函数,如式(2):
因此,从屋顶传热系数K、反射比ρ、半球发射率ε等因素分析反射隔热涂料对屋顶外表面温度、屋顶至室内传热量及空调能耗的影响。本文以7月份的杭州天气为分析背景,假设白天的平均辐照强度为669 W/m2、平均气温为35℃、风速小于2 m/s[hc为8.5 W/(m2·K)],室内空气温度均匀,且太阳热辐射仅对顶层气温产生热效应。以下模拟计算如无特殊说明均按以上条件计算。
2 隔热降温分析
2.1 屋顶传热系数对室内温度的影响
屋顶传热系数对外表面温度的影响与太阳光反射比ρ、半球发射率ε密切相关,相互作用关系较为复杂。为简化分析,可确定屋面材料的ρ与ε后进行讨论。假设屋顶至顶层的传热量等于顶层与次顶层间的传热量,即:
式中:Krf——顶外表面至顶层室内空气的传热系数,W/(m2·K);
K12——顶层室内空气至次顶层室内空气间的传热系数,W/(m2·K);
Tml——顶层室内温度,K;
Tm2——次顶层室内温度,K。
根据式(1)和式(2),假设次顶层的室内温度为35℃,可得到顶层室温、屋顶外表面温度及屋顶至顶层的传热量。由于常见的建筑材料如混凝土、沥青、涂料、卷材等(金属除外)材料的半球发射率一般在0.85～0.95范围内,因此以ε为0.9、ρ为0.1～0.7作为参考条件。为便于对比,K12按2 W/(m2·K)计算,结果如图1～图3所示。
图1～图3结果表明,在给定屋面材料的情况下,屋顶外表面温度随屋顶传热系数的增大而缓慢下降,室内温度与屋顶至室内的传热量则随屋顶传热系数的增大而显著提高。同时,随着反射比的增大,屋顶外表面温度、室内温度与屋顶至室内的传热量均迅速降低。其原因在于,随着传热系数的增大,屋顶吸收的太阳辐射能将更多的传递至室内,导致屋顶外表面温度下降、室内温度升高。当传热系数为0.5 W/(m2·K),反射比从0.1升至0.7时,屋顶外表面温度、室内温度、屋顶至室内的传热量从69.6℃、41.9℃、13.8 W/m2分别降至44.9℃、37.0℃、4.1 W/m2,别降低了24.7℃、4.9℃、9.7 W/m2。当传热系数为2 W/(m2·K),反射比从0.1升至0.7时,屋顶外表面温度、室内温度、屋顶至室内的传热量从68.4℃、51.7℃、33.0 W/m2分别降至44.5℃、39.7℃9.4W/m2,分别降低了23.9℃、12.0℃、23.6 W/m2。即反射隔热涂料更适用于高传热系数的建筑,降温效果尤其显著。
2.2 隔热涂料对室内温度的影响
假设屋顶至顶层的传热量等于顶层与次顶层间的传热量,为简化计算,按建筑物的屋顶传热系数为1 W/(m2·K),楼板的传热系数为2W/(m2·K)计算,根据式(1)和式(2)可得到屋顶外表面温度、顶层室温及屋顶至顶层的传热量,结果如图4～图6所示。
图4～图6结果表明,屋顶外表面的反射比和辐射率与室内温度关系密切,与对屋顶外表面温度影响趋势基本一致,但变化绝对值相比屋顶表面温度较小。辐射率为0.9,当反射比由0.1升至0.9时,则顶层室内温度由46.3℃下降到35.3℃,降低11℃;屋顶外表面温度由69.1℃下降到36.1℃,降低33℃;屋顶至顶层的传热量由22.8 W/m2下降至0.8 W/m2,降低22 W/m2。
反射比为0.4,当辐射率由0.1升至0.9时,顶层室内温度由48.2℃下降到42.4℃,降低5.8℃;屋顶外表面温度由74.6℃下降到57.1℃,降低17.5℃;屋顶至顶层的传热量由26.4W/m2下降至14.7 W/m2,降低11.7 W/m2。即屋顶材料反射比和辐射率升高都可以显著降低建筑物的室内温度,并且反射比的升高对降低室内温度的效果更显著。在设定条件下,以混凝土沥青砂浆为屋面材料的建筑物(ρ=0.2,ε=0.85)对应的室内温度为44.7℃;普通涂料建筑物(ρ=0.45,ε=0.85)对应室内温度为42.1℃,而反射隔热涂料建筑物(浅色,ρ=0.65,ε=0.85)对应室内温度为39.3℃。可见屋顶喷涂反射隔热涂料后室内温度相对于混凝土沥青砂浆屋面降低5.4℃,相对于普通涂料降低2.8℃。
2.3 隔热涂料对空调节能的影响
夏季白天平均气温取35℃,空调致冷室内温度取26℃(可忽略房间之间的传热量),当屋顶的传热系数K为1 W/(m·K)时,屋顶外表面温度、屋顶至顶层的传热量与ρ、ε的关系如图7、图8所示。
由图7、图8可见,屋顶外表面温度和屋顶材料的反射比和辐射率密切相关,与前面的分析一致。当辐射率为0.9,反射比由0.1升至0.9时,则屋顶外表面温度由67.9℃下降到35.4℃,降低32.5℃;屋顶至顶层的传热量由41.9 W/m2下降至9.4 W/m2,降低77.5%(32.5 W/m2)。当反射比为0.4,辐射率由0.1变化到0.9时,屋顶外表面温度由72.5℃下降到56.2℃,降低16.3℃;屋顶至顶层的传热量由46.5 W/m2下降至30.2 W/m2,降低35.1%(16.3 W/m2)。在设定条件下,以混凝土沥青砂浆为屋面材料的建筑物(ρ=0.2,ε=0.85)对应的屋顶外表面温度为63.2℃,屋顶至室内的传热量为37.2 W/m2;普通涂料建筑物(ρ=0.45,0.85)对应屋顶外表面温度为54.8℃,屋顶至室内的传热量为28.2 W/m2;而反射隔热涂料建筑物(浅色,ρ=0.65,ε=0.85)对应屋顶外表面温度为46.7℃,屋顶至室内的传热量不高于21.8 W/m2。若仅考虑屋面的得热量,在设定条件下,则屋顶喷涂反射隔热涂料后相对混凝土沥青砂浆屋顶可降低41.4%,相对普通涂料可降低22.7%。
3 结论
基于稳态传热计算方法,研究不同屋顶传热系数时反射隔热涂料对房屋外表面温度和室内温度的影响,并探讨无致冷与空调致冷条件下反射隔热涂料的降温节能效果。得到以下结论:
(1)在给定屋面材料的情况下,屋顶表面温度随屋顶传热系数的增大而缓慢下降,而室内温度与屋顶至室内的传热量则随屋顶传热系数的增大而显著提高。同时,随着太阳光反射比的增大,屋顶外表面温度、室内温度与屋顶至室内的传热量均迅速降低。
(2)屋顶材料的太阳光反射比和辐射率升高都可以显著降低建筑物的室内温度,并且反射比的升高对降低室内温度的效果更显著。在设定条件下,屋顶喷涂反射隔热涂料后室内温度仅39.3℃,相对于混凝土沥青砂浆屋顶降低5.4℃,相对于普通涂料降低2.8℃。
(3)空调致冷室内温度为26℃时,若仅考虑屋面的得热量,在设定条件下,则屋顶喷涂反射隔热涂料后相对混凝土沥青砂浆屋顶可降低41.4%,相对普通涂料可降低22.7%。
参考文献
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表面温度 第6篇
陆地表面温度 (Land Surface Temperature, LST) 是一个重要的地表参数, 在生态环境、农业、林业、地震等领域发挥着重要的作用。利用卫星遥感技术来反演大面积区域的陆地表面温度具有明显的优势。目前, 基于卫星遥感数据来反演海洋表面温度 (Sea Surface Temperature, SST) 的技术已较为成熟。由于陆地表面比海洋表面复杂得多, 陆地表面温度 (LST) 反演一直是热红外遥感研究中的一大难题。Landsat 7 ETM+是一种常用的中分辨率遥感影像, 它具有6个多光谱波段 (band 15, band 7) , 分辨率为30 m;一个全色波段 (band 8) , 分辨率为15 m;一个热红外波段 (band 6) , 分辨率为60 m (Landsat 7 ETM+波段特征见表1) 。Landsat 7 ETM+热红外波段的分辨率是目前卫星遥感影像中分辨率最高的, 因此利用Landsat 7 ETM+数据能够更加细致地获取地表热场分布。然而由于ETM+只有一个热红外波段, 无法利用劈窗算法, 要得到陆地表面温度一般需要利用辐射传输方程的方法, 辐射传输方程法需要输入很多的实时大气参数, 而这些参数往往很难获得, 因此利用ETM+数据往往很难得到陆地表面温度。近年来针对只有一个热通道传感器的普适性单通道算法[1]的提出, 为从ETM+数据较高精度地反演陆地表面温度提供了一种可行的途径。利用普适性单通道算法反演陆地表面温度需要已知总大气水蒸汽含量, 卫星过境时刻的总大气水蒸汽含量往往很难得到, 通常的做法是利用标准大气进行模拟代替或者利用气象站点数据, 这样就必然会影响普适性单通道算法陆地表面温度反演的精度。张兆明等[2]在普适性单通道算法的基础上加以改进, 提出利用MODIS数据来获取总大气水蒸汽含量, 然后基于普适性单通道算法从Landsat 7 ETM+数据来反演陆地表面温度, 并取得了较好的反演结果。本文即利用文献[2]的方法进行陆地表面温度反演试验, 试验数据利用2002年5月22日获取的河北涿州等地的Landsat 7 ETM+影像和当日上午过境的Terra MODIS影像。
1 方法介绍
1.1 普适性单通道算法
普适性单通道算法是Jiménez-Muňoz和Sobrino在2003年提出的, 能够从单通道卫星遥感影像反演陆地表面温度, 对ETM+第6波段而言, 具体反演过程如下[1]:
δ=-γLsensor+Tsensor (3)
Ts为陆地表面温度, Lsensor是星上辐射亮度, 单位为Wm-2sr-1μm-1, Tsensor是星上亮度温度, 单位为K, λ是有效波长 (ETM+第6波段的有效波长为11.457 μm) , ε是地表比辐射率, c1=1.191 04108 (Wμm4m-2sr-1) , c2=14 387.7μmK。ψ1, ψ2, ψ3是大气函数, 对ETM+第6波段而言, 可以由总大气水蒸汽含量 (w) 根据方程 (46) 计算得到。
ψ1=0.147 14 w2-0.155 83 w+1.123 4 (4)
ψ2=-1.183 6 w2-0.376 07 w-0.528 94 (5)
ψ3=-0.045 54 w2+1.871 9 w-0.390 71 (6)
Lsensor和Tsensor分别由式 (7) 和式 (8) 得到[3,4]。
其中, QCAL为像元的DN值, QCALmax和QCALmin分别为像元可以取得的最大和最小DN值, Lmax和Lmin分别为QCAL= QCALmax和QCAL= QCALmin时的光谱辐射亮度值, 后四个量可以从影像头文件得到。
1.1.1 地表比辐射率计算
地表比辐射率ε的计算比较复杂, 它受到多种因素的影响和制约, 文献[5]给出了一种较简便的计算方法, 即NDVI阈值法, 本文利用该方法来获取研究区域的地表比辐射率。
NDVI阈值法考虑三种情况:
(a) 当NDVI<0.2时, 地表像元完全是裸土, 比辐射率为0.97;
(b) 当NDVI>0.5时, 地表像元完全是植被, 比辐射率为0.99;
(c) 当0.2NDVI0.5时, 地表像元为植被和裸土的混合像元, 比辐射率ε按式 (9) 计算:
ε=εvPv+ εs (1-Pv) +dε (9)
εv是植被比辐射率 (εv=0.99) , εs是裸土比辐射率 (εs=0.97) 。Pv是植被覆盖率, 由式 (10) 得到:
NDVImax和NDVImin分别是研究区域内的最大和最小NDVI值。
dε是一个表示地表复杂状况的量, 利用下式计算:
dε= (1-εs) (1-Pv) Fεv (11)
式 (11) 中F是形状系数, 本文取平均值0.55[6]。
1.1.2 总大气水蒸汽含量反演
在文献[2]中提出, 首先利用MODIS数据来反演总大气水蒸汽含量, 然后利用普适性单通道算法来得到陆地表面温度。其中反演总大气水蒸汽含量的算法如下[7]。
首先按式 (1214) 计算大气吸收通道 (MODIS第17、18和19通道) 与大气窗口通道 (MODIS第2通道) 的比值G17, G18和G19。
L17、L18和L19分别是MODIS17、18和19通道传感器接收到的辐射亮度。辐射亮度 (L) 按下式计算:
L=radiance_scales (SI-radiance_offsets) (13)
其中, radiance_scales和radiance_offsets分别是各波段的辐射率缩放比和辐射率截距, SI为MODIS 1B数据中的存储值。
然后, 计算15、16和17通道的水汽含量:
W17=26.314-54.434G17+28.449G
W18=5.012-23.017G18+27.884G
W19=9.446-26.887G19+19.914G
最终总大气水蒸汽含量 (W) 是W17, W18和W19的加权平均:
W=0.192W17+0.453W18+0.355W19 (17)
2 反演结果与分析
研究区陆地表面温度反演结果如图1所示。
由图1可以看出, 本文得到的陆地表面温度分布图符合实际情况。最大值在50℃左右, 最小值在24℃左右, 图中的裸地由于温度较高呈现亮色调, 而植被区由于植被的蒸发蒸腾作用, 温度较低, 呈现明显的暗色调。图像中能够清晰地辨出散布在农田中的居民点 (较亮色调) , 而干枯的河床由于温度较高, 显现出白色的条带状。本文试验结果表明首先利用MODIS数据反演总大气水蒸汽含量, 然后利用普适性单通道算法能够从Landsat 7 ETM+数据较好地获取研究区陆地表面温度的空间分布。
摘要：Landsat 7 ETM+数据是一种常用的中分辨率卫星遥感数据, 它的热红外波段的空间分辨率为60 m, 是目前星载遥感数据中分辨率最高的。然而由于Landsat 7 ETM+只有一个热红外波段, 给ETM+陆地表面温度反演造成了困难。在前人研究的基础上开展ETM+数据陆地表面温度反演研究, 首先利用MODIS数据反演总大气水蒸汽含量, 然后利用普适性单通道算法从ETM+数据得到陆地表面温度, 试验结果表明该方法能够取得较好的反演结果。
关键词：Landsat 7 ETM+,MODIS,陆地表面温度,普适性单通道算法
参考文献
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表面温度 第7篇
关键词：卫星遥感,海表面温度,WindSat,HadISST,空间分布
卫星遥感海表面温度具有获取范围广、时间和空间连续等优点。微波卫星遥感相比于红外卫星遥感具有不受云层干扰[1]的优势。由于辐射计探测角度的变化以及海况的不同,卫星遥感的全球海温资料有着区域适应性,即在不同区域的误差存在差异。本文利用Hadley中心的Had ISST海温资料对Wind Sat海温产品进行对比分析,探究Wind Sat海温产品在全球范围内的误差分布状况。
1数据及方法
1.1 Wind Sat数据
Wind Sat是全球首个星载全极化微波辐射计(2003年1月发射,搭载于Coriolis卫星),其反演算法由AMSR-E的海表面温度反演方法(即多元线性回归算法)改进得到[2]。本文使用2006-2015年1月和7月的第7版Wind Sat SST全球月平均数据,该数据由RSS(Remote Sensing System)处理发布,空间分辨率为0.25°×0.25°。
1.2 Had ISST数据
Had ISST(Hadley Center Sea Ice and Sea Surface Temperature)是由全球月平均海温数据和海冰数据组成的数据集,由隶属于英国气象局(Met Office)的Hadley中心制作发布。该数据集中的海温数据被广泛应用。Had ISST的实测海温资料来源于MDB(Met Office Data Bank),MDB资料的缺失部分由COADS(Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set)资料替代。Had ISST数据为格点数据,分辨率为1°×1°,海温数据的时间覆盖1870年至今。本文使用2006-2015年1月和7月的Had ISST数据,获取来源为Met Office官方网站http://www.metoffice.gov.uk/hadobs/hadisst/。
1.3匹配方法
Wind Sat SST空间分辨率为0.25°×0.25°,Had ISST海温资料空间分辨率为1°×1°,在比较分析之前,首先将Wind Sat SST权重平均至1°×1°格点,使Wind Sat SST数据与Had ISST数据格点相吻合。
2误差空间分布
本节将Wind Sat SST和英国气象局哈德莱(Hadley)中心发布的海温资料Had ISST1进行对比。选取2005~2014年10年间Wind Sat SST月平均数据与Had ISST1月平均海温资料。
图1为1月和7月份Wind Sat SST与Had ISST1平均偏差的10年平均值全球分布。大部分海域,Wind Sat SST与Had ISST1差异较小,在±0.1℃以内。但是西北大西洋和西北太平洋的沿岸海域偏差较大,南部大洋偏差较大的海域分布在30°S~60°S之间且近似呈现纬向条带状。一些沿岸海域,例如日本东南沿海、美国东部沿岸以及墨西哥湾等在1月份表现出较大偏差但在7月份偏差恢复正常范围,这些可能是由于陆地和海冰的射频污染造成的。北半球偏差较大的海域在7月份比1月份北移了10°纬度左右(从45°左右移至55°左右)。为了探究Wind Sat-Had ISST1间SST的偏差与实测海温大小是否存在联系,我们作出了对应月份Had ISST1海温10年平均值的全球分布图,如图2。对比图1和图2,发现有着较大Wind Sat-Had ISST1偏差的海域(超出±2°C)(图1)与实测海温在5~10°C之间的海域分布(图2)一致。由此看出,海表温度为5~10°C之间时Wind Sat SST的反演算法精度可能不够理想。
3结论
本文以2006-2015年的Wind Sat SST数据为主要评估对象,与Hadley中心的Had ISST海温数据进行对比,分析了误差的空间分布。Wind Sat海温与Hadley海温总体误差较小,西北大西洋和西北太平洋的沿岸海域偏差较大。北半球较大误差分布区域随季节变化存在移动,具体为7月份北移1月份南移。
参考文献
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表面温度 第8篇
在光传感技术中表面等离子体振荡(SPR)技术是利用由激光激发的介质与金属薄层之间的等离子波振荡特性受表面被测物质影响的原理制成的传感器。1968年Otto首先采用衰减全反射(Attenuated Tota Reflection,ATR)的方法用光和棱镜在金属表面激发了表面等离子体波(spp)。Nylander等人又在1982年首先将SPR技术应用于传感。从此,SPR技术迅速渗透到基础生命科学研究中。近年来国内外的研究均表明SPR传感器灵敏度高、低成本、可实时快速检测,并且易于小型化和网络化。
SPR传感器的这些优异特性使它在化学、环境、生命科学等诸多领域有着广泛的应用前景。SPR可小型化的特点也使它今后必定会走出实验室,而更多的应用于户外的监测中。户外监测中环境因素对于SPR传感器的性能是至关重要的,其中温度的波动会影响到SPR传感器的材料和机械结构,进而对于检测结果产生很大的影响[4]。近年来,开始出现一些文献针对温度对SPR传感器的影响进行研究,但是这些研究大都停留在理论研究阶段,缺乏有力的实践证明。本论文用实验方法研究了采用棱镜型SPR传感器进行角度检测时,温度对共振角度的影响。
1 基本原理
表面等离子体共振由全内反射产生,它的典型装置Kretschmann型结如图1所以,有棱镜、金属膜和被测物质组成。光线以大于全反射角的角度入射到棱镜底面上,此时在金属与溶液的界面上将有电子被激发,产生振荡电荷,从而形成表面等离子体波。若金属膜的厚度在50 nm左右,小于消逝波的有效深度,则在金属与溶液的界面处消逝波仍起作用,满足共振条件时,消逝波与表面等离子体波将发生能量耦合,产生共振,入射光能量部分地转移给表面等离子体波,使反射光强度急剧下降。
设棱镜的介电常数是一个正实数ε0,镀在该介质上的金属薄膜的介电常数为一复数ε1(ω)=εr+iεi,而ε2表示环境介质的介电常数。
激发表面等离子体共振的光波只有水平波矢起作用,所以有效入射光波波矢为
式中:θ是入射角,n是棱镜的折射率,ω为入射光的频率。
表面等离子体波的波矢为
产生表面等离子体共振的条件是入射光波波矢的水平分量与表面等离子体波波矢的实部相等,即k(ω)=Re(ksp)。表面等离子体波被激发后,入射光的能量发生转移,转移成为表面等离子体波的振动,反射光的强度就会相应的减弱。由式(1)和式(2)可得共振角为
2 温度对SPR的作用机理及实验设计
由上面的分析可以知道SPR的共振特性是由于金属表面自由电子集体振荡形成的,而在Kretschmann型结构中任何膜层的介电常数或者厚度的改变都会引起等离子体共振关系的变化,进而使共振角度产生变化。温度正是这样一个可以引起膜层介电常数和厚度变化的外界物理因素。所以,这一部分将主要阐述温度对角度检测的棱镜型SPR传感器各种参数的影响,并据此对实验进行设计。
2.1 金属膜部分
由基本原理分析可知,在SPR作用过程中,金属膜层的介电常数和膜层厚度对SPR特性具有着深刻的影响。而温度变化通过对金属介电常数和膜厚的改变来影响SPR特性。金属的介电常数用Drude模型可表示为[2]
其中:ωp为等离子频率(Plasma frequency),可以表示为[2]
式中:N和m*分别代表导电电子的密度和有效质量,它们的值都是和温度相关的。那么,在一定温度T下ωp的值可用如下公式来表述[2]:
其中:γe为金属的膨胀系数,T0为参考温度,ωc为碰撞频率(Collision frequency)。温度对ωc的影响可分别表述为对光-电散射部分ωcp的影响和对电-电散射部分ωce的影响,公式分别为[1]
ωcp和ωce对ωc的共同作用表述为
同时,温度对金属膜层的厚度也有影响,可表述为
其中α′为修正后的热膨胀系数,表述为[2]
对于金膜来说温度变化1 K,大约会使厚度变化3.4810-5 d0[1]。所以,在常规的检测环境下,温度变化对金膜厚度产生的影响进而对SPR共振角产生的影响都很小,可以忽略不计。
对于SPR检测中两种常用的金属,金和银来说,金的特性对温度变化比银的灵敏度要高,所以为了检测温度变化对于检测结果的最大影响,我们选择金作为本次实验的金属。由于金属膜厚在小于八分之一入射波长的情况下才能激发SPR,且我们采用红光激光(632.8 nm)作为光源,经过Matlab仿真计算,膜厚为45 nm时SPR曲线效果最佳。
2.2 棱镜部分
由式(1)可知棱镜的折射率关系到光波的有效入射光波矢,所以在考虑温度因素时必须要将它对于棱镜折射率的影响考虑进去。但是,对于一般的棱镜材料它的折射率受温度的影响很小,大约为dn/dT~10-6 K-1,和金属及被测介质折射率受温度的影响比起来非常微小,所以一般可以忽略。因为在生物和化学检测中SPR传感器常被用来测量高折射率的物质,所以为了配合实际应用选择了折射率为1.778 6的棱镜,和普通的BK7棱镜比起来,它极大地扩展了可测物质的折射率范围。
2.3 被测物质
对于被测介质,通常是液体或者气体,它的折射率会随着温度T而变化,但是除了温度它也同样受到压强P和浓度C的影响,如式(12)所示,这三个量任何一个的变化都会引起被测物质折射率的变化[1]:
首先将被测物质定为液体,这样可以排除压强对折射率的影响。再有,对于一般的液体,温度对于折射率的影响可以分为两部分,一部分是对纯水的影响,另外一部分是对液体中所溶物质的影响,也就是说不同浓度的液体它的折射率随温度的变化率是不同的[3]。在本次实验中,为了排除液体浓度对于折射率变化的影响,以及不同浓度液体折射率对温度变化的灵敏度差异,我们采用纯去离子水作为被测液体。
文献[5]报道了不同温度下水的折射率的检测结果。当温度上升时,由于液体的密度变小,所以其折射率也将变小,文献[6]根据光子理论及光子传递的弛豫时间的概念,从理论上简明地导出了介质折射率与其温度的关系:
其中:α值引自文献[7]:α=610-5/k。n0为0℃时介质的折射率。
由式(13)可以看出,介质折射率随温度的升高而降低。纯水在0℃时折射率为1.333 949 3,由式(13)可以计算出纯水处于不同温度时它的折射率。
2.4 流体槽
由于铜材料可以具有很好的导热性,所以本文中采用铜来做流体槽。流体槽一方面起到将被测液体引到金膜表面的作用,另一方面也在加热和保温装置的作用下将热量传导给被测液体。
2.5 测量装置结构设计
本文采用Kretschmann型棱镜底面激发SPR,即采用图1所示结构,采用角度检测方法。即在每一次检测中改变入射光入射到棱镜底面的角度,通过对不同入射角度下反射光强度的探测来找到发生表面等离子体共振的角度。实验装置如图2所示。激光器和探测器分别架于两个支臂上,两个支臂在两个旋转马达的带动下可围绕棱镜底面中心旋转,从而达到改变入射光角度的目的。
其中,光源为He-Ne激光器,波长为632.8 nm;棱镜为直角棱镜,折射率为1.778 6;金属膜的材料是金,采用溅射镀膜法,厚度约为45 nm。
2.6 实验系统检验
用上述设备对空气(n=1.0)进行检测,得出的反射谱如图3。
图3中的反射光已经过归一化,其共振角为36.188 2°。
用上述设备对纯水(n=1.333)进行测试,水温为37℃,结果如图4。
反射光已经过归一化,共振角为53.793 7o。
由上述检测结果可看出本系统能有效利用表面等离子共振原理检测出物质的共振角度。所测得的共振角度可以精确到10-4,并且,对同一种液体进行长时间反复测量时数据可以稳定在10-3。下面就将用这套设备进行温度变化影响的检测。
3 实验结果
现在利用上面的实验系统进行不同温度下的实际测量。具体操作是在温度变化的条件下对去离子水进行长时间的连续检测。我们每隔一小段时间便通过加热装置对流体槽进行加热,从而达到改变被测去离子水温度的目的。为了贴近实际应用,我们将被测水温范围定为比较贴近实际室温的25℃到37℃。为了使一定温度下数据能比较稳定,我们的温度变化采取阶梯式上升。即测试初始温度设为25℃,然后以2℃为一个阶梯向上升。每到达一个温度我们就采取连续多次测量,直到这个温度下多次测得的SPR共振角度稳定后,再继续升高温度,进行下一次的测量。终止温度为37℃。将测得的共振角度以及所对应的温度用Matlab绘制成图,如图5。
由于本实验采用Monte Carlo方法,在同一温度下进行多次数据测量,所以减少了实验中随机因素的影响,提高了实验结果的鲁棒性。由图5可以很明确地看出,在实际检测中,共振角度随着温度的升高而降低。并且测量中温度每上升2℃共振角度会在10-2上发生变化。取每一温度下所测得共振角的平均值进行计算,共振角随温度变化的斜率为-7.84310-3/℃。
4 结论
由上述实际测量的数据可知,采用棱镜型角度检测的表面等离子体振荡传感器进行精密检测时,温度是一个必须考虑的因素。检测结果证明了环境温度会对检测结果产生很大影响,表面等离子体共振角度随被测液体温度的升高而下降,温度每上升2℃共振角度会在10-2上发生变化。即使在温度比较稳定的实验环境里,SPR仪器在使用时要进行温度校准,也要根据温度差进行修正。在温差变化大的环境里,对于不同被测物质的温度变化规律还需要进一步进行统计处理。
摘要：本文采用棱镜型角度检测的方法,对表面等离子体振荡传感器进行精密检测。首先从理论上分析了温度对棱镜型表面等离子体传感器的作用机理,并根据机理进行了实验系统的设计。基于所设计的棱镜型角度检测SPR装置,研究了温度对表面等离子体振荡(SPR)共振角度的影响。实验给出了表面等离子体共振角度随被测液体温度的升高而下降的数值结果,斜率为-7.843×10-3/℃,并证明了温差控制对光传感技术中表面等离子体振荡(SPR)技术的实用化的重要性。
关键词：等离子体振荡,角度检测,棱镜型,SPR传感器
参考文献
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