本發(fā)明屬于檢測領(lǐng)域，尤其涉及一種拉曼頻移測溫方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
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分布式光纖傳感器因具有非導(dǎo)電性、體積小、抗電磁干擾強等優(yōu)點，故成為近些年來迅速發(fā)展的一種新型測溫傳感器。它的工作原理很多,有液芯光纖OTDR(瑞利散射)、喇曼散射、布里淵散射、光克爾(kerr)效應(yīng)和四波混頻等。但大部分的分布式光纖傳感器使用的是拉曼強度，即利用的是自發(fā)喇曼散射產(chǎn)生的反斯托克斯光強Pas與斯托克斯光強Ps的比值來測量物質(zhì)的溫度，工作原理復(fù)雜且易受拉曼強度的影響。

式中,C是與溫度無關(guān)的系統(tǒng)常數(shù),λas、λs分別是反斯托克斯光和斯托克斯光的波長,h為普朗克常數(shù)、c為真空中光速、k為玻爾茲曼常數(shù),ν是波數(shù),T是纖芯溫度即背測物體溫度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于提供一種拉曼頻移測溫方法和系統(tǒng)，本發(fā)明相比于其它易受溫度的限制的同類測溫技術(shù)，本發(fā)明專利能夠精確測量較大范圍內(nèi)的物質(zhì)溫度；本發(fā)明專利計算得到的物質(zhì)溫度應(yīng)在物質(zhì)德拜溫度的三分之一倍和物質(zhì)的熔點溫度范圍內(nèi)—(物質(zhì)溫度超過熔點溫度時，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)將發(fā)生改變)。經(jīng)過統(tǒng)計分析，目前已知的物質(zhì)德拜溫度最高為金鋼石2230K,最低為銫38K,平均德拜溫度在300K左右。即本發(fā)明的方法最低可測量溫度約為13K。

為解決上述問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種拉曼頻移測溫方法，使用拉曼頻移值來測量被測物體的溫度。

進一步的改進，得到被測物體的德拜溫度；根據(jù)被測物體的拉曼頻移值得到被測物體的溫度，其中拉曼頻移與被測物體溫度的關(guān)系式如下：

其中，

z表示被測物體材料的最近鄰原子數(shù)；z_b表示塊體材料的配位數(shù)，ω(z,T)為z配位數(shù)的材料在溫度T下的拉曼頻移值；ω(1,T₀)為材料雙原子拉曼頻移值；T表示被測物體的溫度；T₀表示0K；ω(z_b,T₀)為所測物質(zhì)為塊體尺寸大小時的拉曼頻移值；T_m為所測物質(zhì)的熔點溫度；E_b表示物質(zhì)單條化學(xué)鍵的鍵能；θ_D表示德拜溫度；η(T)表示單條化學(xué)鍵的比熱，η(T)＝C_V(T)/z，C_V表示材料的比熱；E_coh＝zE_b表示原子結(jié)合能；x＝θ_D/T；e表示自然常數(shù)；T>θ_D/3時，單鍵比熱可近似等于η＝τR/z，R≈8.63*10^(-5)表示理想氣體常數(shù)；τ表示維度，τ＝1、2、3分別對應(yīng)材料維度為薄膜尺寸大小、桿狀尺寸大小及顆粒尺寸大??；塊體尺寸大小τ＝3。

若所測物質(zhì)為已知物質(zhì)，則可以查閱得到物質(zhì)的雙原子拉曼頻移值、塊體尺寸大小的拉曼頻移值、原子結(jié)合能及單鍵能作為已知參量輸入，通過等式(1)和(3)，測量物質(zhì)的溫度值。

進一步的改進，

若所測物質(zhì)為未知物質(zhì)，則采用等式(2)，并對未知物質(zhì)進行測量，分別確認不同參數(shù)，具體步驟如下：

步驟一、通過測量確認未知物質(zhì)的尺寸大小，確定其維度τ的取值，τ＝1、2、3分別對應(yīng)材料維度為薄膜尺寸大小、桿狀尺寸大小及顆粒尺寸大小；并測量未知物質(zhì)塊體尺寸大小的拉曼頻移值；

步驟二、根據(jù)材料的尺寸確定未知物質(zhì)的配位數(shù)z；如果為塊體材料，則z＝12。如果為低維材料即薄膜尺寸大小、桿狀尺寸大小及顆粒尺寸大小，則根據(jù)文獻“XX Yang,et al.Raman spectroscopy determination of the Debye temperature and atomic cohesive energy of CdS,CdSe,Bi2Se3,and Sb2Te3 nanostructures.Journal of Applied Physics,2012.112(8):p.083508-083514.”進行計算得到配位數(shù)；

步驟三、根據(jù)文獻“XX Yang,et al.Raman spectroscopy determination of the Debye temperature and atomic cohesive energy of CdS,CdSe,Bi2Se3,and Sb2Te3 nanostructures.Journal of Applied Physics,2012.112(8):p.083508-083514.”確定未知物質(zhì)的雙原子拉曼頻移值；

步驟四、測量三個或三個以上不同拉曼頻移值及其對應(yīng)的溫度，選最大拉曼頻移值之外的兩個數(shù)據(jù)，并按拉曼頻移值大的溫度低，拉曼頻移值小的溫度高的順序進行畫圖，得到對應(yīng)的斜率；通過等式：

“((ω(z_b,T)-ω(1,T0))*0.5*3*8.63*10^(-5))/斜率＝E_b”可計算得未知物質(zhì)的物質(zhì)單條化學(xué)鍵的鍵能；計算得到原子結(jié)合能E_coh＝zE_b；

步驟五、根據(jù)未知物質(zhì)的拉曼頻移值通過等式(2)得到對應(yīng)的溫度值。

進一步的改進，所述被測物體的德拜溫度通過測量法得到，具體步驟為：逐步提高或降低被測物體的溫度，并測量被測物體的拉曼頻移值，拉曼頻移值隨被測物體的溫度變化而變化的區(qū)域為高溫區(qū)，拉曼頻移值保持不變的區(qū)域為低溫區(qū)，高溫區(qū)與低溫區(qū)的溫度分界點為三分之一的德拜溫度。

進一步的改進，測量被測物體的拉曼光譜，將被測物體的拉曼頻移值輸入到計算機中，計算得到被測物體的溫度。

進一步的改進，輸入三個或三個以上不同的被測物體的拉曼頻移值及其對應(yīng)的溫度值，計算得到被測物體當(dāng)前的原子結(jié)合能。T>θ_D/3時，η＝3R/z,R≈8.63x10^(-5)表示理想氣體常數(shù)；計算單鍵能算法：通過輸入三個不同拉曼頻率的數(shù)據(jù)，篩選出最小的兩個數(shù)據(jù)或去掉最大拉曼頻率的數(shù)據(jù)后隨即選擇兩個數(shù)據(jù)，計算這兩個數(shù)據(jù)在“頻率—溫度”的曲線上的斜率，通過。

“((ω(z_b,T)-ω(1,T₀))*0.5*3*8.63*10^(-5))/斜率＝E_b”可計算得該物質(zhì)的單鍵能。

一種拉曼頻移測溫系統(tǒng)，包括用于輸入數(shù)據(jù)的輸入單元，用于計算的計算單元和用于顯示輸出數(shù)據(jù)的顯示單元；所述計算單元使用的計算公式為：

進一步的改進，所述拉曼頻移測溫系統(tǒng)安裝在智能設(shè)備上。

進一步的改進，所述智能設(shè)備為電腦或手機。

本發(fā)明的優(yōu)點為：

1、相比于其它易受溫度限制的同類測溫技術(shù)，本發(fā)明專利能夠精確測量較大范圍內(nèi)的物質(zhì)溫度。

2、本發(fā)明專利計算得到的物質(zhì)溫度應(yīng)在物質(zhì)德拜溫度的三分之一倍和物質(zhì)的熔點溫度范圍內(nèi)—(物質(zhì)溫度超過熔點溫度時，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)將發(fā)生改變)。經(jīng)過統(tǒng)計分析，目前已知的物質(zhì)德拜溫度最高為金鋼石2230K,最低為銫38K,平均德拜溫度在300K左右。即本發(fā)明的方法最低可測量溫度約為13K。

附圖說明：

圖1為測得的金剛石在不同拉曼頻移下的溫度；

圖2為通過測量三個拉曼頻移下的被測物體溫度得到的原子結(jié)合能，原子結(jié)合能E_coh＝zE_b。

具體實施方式：

實施例1

本發(fā)明的公式推導(dǎo)過程如下：

1、鍵參數(shù)與尺寸的關(guān)聯(lián)性

鍵弛豫理論(BOLS)核心：低配位原子(z)的化學(xué)鍵鍵長(d)將自發(fā)收縮變短，鍵能增強。其數(shù)學(xué)表達為：

下標z和b分別代表有z個最近鄰原子配位數(shù)和塊體配位數(shù)，b＝12；C_z鍵長收縮系數(shù)，僅僅是有效配位數(shù)的函數(shù)；m為鍵性質(zhì)參數(shù)；E_coh表示原子結(jié)合能，E_z表示配位數(shù)為z的物質(zhì)單條鍵的能量，E_b表示物質(zhì)為塊體時單條鍵的能量。

2、鍵參數(shù)與拉曼頻移的關(guān)聯(lián)性

用泰勒級數(shù)對原子間作用勢進行展開，忽略高階微擾項，可得拉曼頻移與鍵參數(shù)的正比關(guān)系式

ω(z)表示拉曼光譜頻率，z和b分別代表有z個最近鄰原子配位數(shù)和塊體配位數(shù)。d_b表示塊體物質(zhì)鍵長，E_z表示配位數(shù)為z的物質(zhì)單條鍵的能量，μ為約化質(zhì)量，約化質(zhì)量μ＝m₁m₂/(m₁+m₂)，未相變則為常數(shù)。

3、化學(xué)鍵和溫度關(guān)系式

當(dāng)溫度和配位數(shù)變化時，其材料的鍵長d(T)、鍵能E(T)的關(guān)系遵循以下函數(shù)式,

d(T)表示物質(zhì)在T溫度下的鍵長；d_b表示塊體鍵長，b表示塊體；α(t)表示熱膨脹系數(shù)；E(T)表示物質(zhì)在T溫度下的鍵能；E_b表示物質(zhì)單條化學(xué)鍵的鍵能。η(t)表示單條化學(xué)鍵的比熱；t表示外界變化的溫度；統(tǒng)一寫為：E_b表示物質(zhì)單條化學(xué)鍵的鍵能。

根據(jù)德拜近似，熱誘導(dǎo)的鍵能，遵循以下德拜比熱模型關(guān)系式，

θ_D表示德拜溫度；η(T)表示單條化學(xué)鍵的比熱，η(T)＝C_V(T)/z，C_V表示材料的比熱；E_coh＝zE_b表示原子結(jié)合能；z表示被測物體材料的最近鄰原子數(shù)；E_b表示物質(zhì)單條化學(xué)鍵的鍵能。x表示θ_D/T；e表示自然常數(shù)。T>θ_D/3時，單鍵比熱η可近似等于τR＝3R/z,R表示理想氣體常數(shù)；τ表示維度，τ＝1、2、3分別對應(yīng)材料維度為薄膜、桿狀及顆粒；

結(jié)合等式(1)—(4)，拉曼聲子振動頻率的相對變化值與鍵參數(shù)的關(guān)系式，

其中，

本發(fā)明專利是根據(jù)鍵弛豫理論，建立的拉曼頻移測溫算法，并通過配置相應(yīng)程序計算出相應(yīng)結(jié)果。與同類分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)相比較，本發(fā)明不受制于拉曼散射強度大小的影響。本發(fā)明專利不但能測溫，還能有效的預(yù)測物質(zhì)的結(jié)合能，德拜溫度。

本發(fā)明專利相應(yīng)的配置軟件(APP手機平臺或PC機應(yīng)用)與同類的測溫軟件相比，有了專業(yè)性的突破。它不但有電腦同類的測溫應(yīng)用，而且更重要的是：“運用到現(xiàn)在最為廣泛的手機系統(tǒng)上”，極大的方便和簡化了測溫人員的操作過程，同時也與當(dāng)今時代的發(fā)展主流密切相關(guān)。

如圖1所示為根據(jù)拉曼頻移進行測溫的結(jié)果；如圖2為根據(jù)拉曼頻移測量單鍵能即物質(zhì)單條化學(xué)鍵的鍵能的結(jié)果，而根據(jù)單鍵能即可得到被測物質(zhì)的原子結(jié)合能，原子結(jié)合能E_coh＝zE_b。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。