完整版熒光光纖測溫原理

1、1概述傳統(tǒng)的溫度測量技術(shù)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用已很成熟，如熱電偶、熱敬電阻、光學(xué)高 溫計、半導(dǎo)體以及其它領(lǐng)域的溫度傳感器。它們的敬感特性主要是以電子信號作 為傳感媒介，即利用溫度對電子信號的調(diào)制作用。而在特殊工況和環(huán)境下，如在 易爆、易燃、高電壓.強電磁場、具有腐蝕性氣體、液體，以及要求快速響應(yīng)、 非接觸等環(huán)境下，光纖溫度測量技術(shù)具有獨到的優(yōu)越性。山于光纖本身的電磁絕 緣性以及固有的寬頻帶等優(yōu)點，使得光纖溫度傳感器突破了電子溫度傳感器的限 制。同時山于其工作原理是利用溫度對光信號的調(diào)制作用，傳感或傳輸方式多采 用石英光纖，傳輸?shù)姆敌盘枔p耗低，可遠距離傳輸，使傳感器的光電器件脫離 測溫現(xiàn)場，避開了惡

2、劣的環(huán)境。在輻射測溫中，光纖代替了常規(guī)測溫儀的空間傳 輸光路，使塵霧、水汽等干擾因素對測量結(jié)果影響很小。光纖質(zhì)量小、截面小、 可彎曲傳輸，因此可測量不可見的工作空間的溫度，便于特殊工況下的安裝使用。 光纖山于溫度測量的機理與結(jié)構(gòu)形式多種多樣，基本上可分為兩大類：一類是傳 光型，它利用某種傳感元件把光的強度、波長等與溫度有關(guān)的信息作為測量信號, 山光纖將信號傳遞到探測器；另一類是傳感型，它以光纖本身為傳感元件，將光 的相位、波長、強度等為測量信號。光纖溫度傳感器機理及特點如表1所示。 農(nóng)1光纖溫度傳感器的機理和特點測溫機理傳感器的特點激發(fā)的熒光與測量溫度的相關(guān)性熒光法布里一珀羅器件，薄膜干涉，白

3、光干涉光干涉 礎(chǔ)化緣等半導(dǎo)體吸收 光吸收黑體腔，石英，紅外光纖，光導(dǎo)棒熱致光輻射 載有溫度信息的光在光纖中形成的喇曼散射，瑞利散射光散射光纖傳光型溫度傳感器通常使用電子式敬感器件，光纖僅為信號的傳輸通道；傳 感型光纖溫度傳感器利用其本身具有的物理參數(shù)隨溫度變化的特性檢測溫度，光 纖本身為敬感元件，其溫度靈敬度較高，但山于光纖對溫度以外的干擾如振動、 應(yīng)力等的敬感性，使其工作的穩(wěn)定性和精度受到影響。其中熒光衰減型、熱輻射 型光纖溫度傳感器已達到應(yīng)用水平。其中，熒光光纖測溫技術(shù)可以實現(xiàn)不同工作情況，尤其是電磁干擾下的溫度測量。 熒光是輻射的去活化過程。熒光材料原子受到某一波長的輻射而激發(fā)時，個過程

4、, 每個過2輻射去活化，發(fā)岀輻射。熒光是發(fā)射光，它涉及吸取和再發(fā)射.程都是瞬間的，但在2個過程之間存在一時間間隔，它依賴于熒光去活化過程。 熒光光纖溫度傳感器不僅限于表面溫度的定向測量，其探頭可以插入固體物質(zhì)中、 浸入液體中或?qū)朐O(shè)備中，到達特定區(qū)域。熒光測溫與其它測溫方法相比具有諸 多優(yōu)點，如實現(xiàn)溫度的絕對測量，測溫精度不受被測體表面發(fā)射率的影響，在中 低溫范圍內(nèi)有很高的靈敬度和測溫精度等。2熒光光纖測溫原理當(dāng)發(fā)光材料受到某種波長的入射光照射，吸收光能后從基態(tài)進入激發(fā)態(tài)，并且立 即退激發(fā)并發(fā)岀比入射光的波長長的出射光（通常波長在可見光波段），而且一 旦移除入射光，發(fā)光現(xiàn)象也隨之立即消失，即出

5、射光消失，具有這種性質(zhì)的出射 光就被稱之為熒光。2.1熒光產(chǎn)生機理山普朗克定理可知，當(dāng)發(fā)光材料接收到無論哪種形式的入射光能量時，發(fā)光材料 中的電子將發(fā)生能級躍遷現(xiàn)象，而在能級躍遷的過程中伴隨著波長為X的出射光。 其中he? （ 1 ）?E°hE°一 12?E電子位于高能級時具有的能量；式中：aE電 子位于低能級時具有的能量；1一一普朗克常數(shù)；加一一出射光的頻率；光在真空中的傳播速度；u出射光的波長。實際情況中，我們觀測到的并不是某一固定波長的出射光，而是波長處于某EE 總是分別位于兩條能帶之中。在入射光一波段的出射光，這主要是因為和2】移除 后，發(fā)光材料仍會維持一段時間的發(fā)

6、光現(xiàn)象，若該段時間與電子完成能級躍6S） 相等，則此出射光稱之為熒光；若該段時間比電子完成能級遷的時間（W10-3S10s）,則此出射光稱之為磷光。躍遷的時間長很多（通常為10也）（熒光物質(zhì)的發(fā)光通常遵守斯托克斯定律，即熒光物質(zhì)只能受到高能量Th）的光，換 句話說，就是波長短的頻率高的光激發(fā)的光激發(fā)，發(fā)出低能量（1-）出波長長的頻率低的光（，。熒光物質(zhì)的發(fā)光機理是：按照分子3原理，稀土摻雜的氧化 物中含有高化合價的正離子，離子在高能射線（激光、紫外線等）照射下受到激發(fā)，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，而激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，則離子再從 激發(fā)態(tài)躍遷到較低能量級，此時離子放出福射能而使熒光物質(zhì)發(fā)光，這種光就被 稱之為

7、熒光。熒光通常位于可見光波段。2.2熒光壽命測溫原理在某一段溫度范圍內(nèi)，無論何種熒光物質(zhì)，它們的熒光壽命均表現(xiàn)出一定溫度相 關(guān)性，而熒光壽命測溫原理正是建立在這種溫度相關(guān)性上的。當(dāng)光照射熒光物質(zhì)時，其內(nèi)部電子獲得能量從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，從激發(fā)態(tài)返回 到基態(tài)的放岀輻射能而使熒光物質(zhì)發(fā)出熒光，而在光被移除后的持續(xù)發(fā)射熒光的 時間取決于激發(fā)態(tài)的壽命，該壽命就被稱之為熒光壽命。熒光壽命具有特性：熒 光壽命的長短山溫度的高低決定。熒光壽命型溫度傳感器正是基于該特性的溫度 傳感器。某些稀土熒光材料受激勵光照射并激發(fā)后，發(fā)射出可見的線狀光譜，即熒光及其 余輝。若熒光的某一參數(shù)受溫度的調(diào)制，且它們的關(guān)系呈現(xiàn)出

8、單調(diào)性，則可利用 這種關(guān)系進行測溫。線狀光譜的強度受激勵光源強度及熒光材料的溫度影響，如 果激勵光源強度保持不變，線狀光譜的強度為溫度的單值函數(shù)，且隨著時間的推 移，通常情況下外界溫度越低，線狀光譜的強度就越強，余輝的衰減也就越慢。 利用濾光片將激勵光譜濾除后，測量熒光余輝發(fā)射光譜線的強度即可求解出溫度 大小。但該測量方法要求具有穩(wěn)定的激勵光源強度和信號通道，很難實現(xiàn)，故基 本上未得到采用。除此之外，熒光余輝的衰變時間常數(shù)也是溫度的單值函數(shù)。 根據(jù)半導(dǎo)體理論可知，余輝的衰落直至消失實際上是光的淬滅過程，溫度的升高 使得晶格振動的強度增強，而晶格振動強度的增強乂使得參與吸收的分子數(shù)增多, 最終導(dǎo)

9、致光的淬滅過程縮短，故熒光物質(zhì)的溫度高低決定了光的淬滅過程 為熒 光特性曲線。1的快慢，即決定了衰變時間常數(shù)的大小。圖.I激發(fā)脈沖t熒光余輝I(TI) T：T<T.2To圖1熒光特性曲線山圖1可得熒光余輝的強度與實踐的函數(shù)關(guān)系式為：叮(T)(2 ) eTA10l(t)%式中：一一常系數(shù)：At余輝衰減時間；1(T)停止激勵時熒光峰值強度，為溫度的函數(shù)；?熒光余輝衰變時間常數(shù)，即熒光余輝壽命，也為溫度的函)(TTw的值，就可求解數(shù)，與光強無關(guān)。一般越大，就越小，所以只要測得)TT()(口值與溫度的函數(shù)關(guān)系曲線。為某一熒光物質(zhì)的出。圖2T熒光壽命.(ms) 6543210-1000100200-200300400CC)某種熒光物質(zhì)的熒光壽