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、熱敏電阻、光學(xué)高溫計(jì)、半導(dǎo)體以及其它領(lǐng)域的溫度傳感器。它們的敏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(qiáng)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(dú)到的優(yōu)越性。由于光纖本身的電 磁絕緣性以及固有的寬頻帶等優(yōu)點(diǎn)，使得光纖溫度傳感器突破了電子溫度傳感器 的限制。同時由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(yuǎn)距離傳輸，使傳感器的光電器件 脫離測溫現(xiàn)場，避開了惡劣

2、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。光纖由于溫度測量的機(jī)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(qiáng)度、波長等與溫度有關(guān)的信息作為測 量信號，由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(qiáng)度等為測量信號。光纖溫度傳感器機(jī)理及特點(diǎn)如表1所示。表1光纖溫度傳感器的機(jī)理和特點(diǎn)測溫機(jī)理傳感器的特點(diǎn)火兒激發(fā)的熒光與測量溫度的相關(guān)性光干涉法布里一珀羅器件，薄膜干

3、涉，白光干涉光吸收神化錢等半導(dǎo)體吸收熱致光輻射黑體腔，石英，紅外光纖，光導(dǎo)棒光散射載有溫度信息的光在光纖中形成的喇曼散射，瑞利散射光纖傳光型溫度傳感器通常使用電子式敏感器件，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，光纖本身為敏感元件，其溫度靈敏度較高，但由于光纖對溫度以外的干擾如 振動、應(yīng)力等的敏感性，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(dá)到應(yīng)用水平。其中，熒光光纖測溫技術(shù)可以實(shí)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， 輻射去活化

4、，發(fā)出輻射。熒光是發(fā)射光，它涉及吸取和再發(fā)射 2個過程，每個過 程都是瞬間的，但在2個過程之間存在一時間問隔，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(dá)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(diǎn)，如實(shí)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)有很高的靈敏度和測溫精度等。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(jìn)入激發(fā)態(tài)，并 且立即退激發(fā)并發(fā)出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，即出射

5、光消失，具有這種性質(zhì)的 出射光就被稱之為熒光。熒光產(chǎn)生機(jī)理由普朗克定理可知，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人的出 射光。hc其中E2Ei式中：E 2 電子位于高能級時具有的能量；Ei 電子位于低能級時具有的能量；h 普朗克常數(shù)；出射光的頻率；c 光在真空中的傳播速度；出射光的波長。實(shí)際情況中，我們觀測到的并不是某一固定波長的出射光，而是波長處于某一波段的出射光，這主要是因?yàn)?E2和&總是分別位于兩條能帶之中。在入射光移除后， 發(fā)光材料仍會維持一段時間的發(fā)光現(xiàn)象，若該段時間與電子完成能級躍遷的時間（0 10

6、-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躍遷的時間長很多（通常為10-3s10s） ，則此出射光稱之為磷光。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（ h 2）的光激發(fā)，發(fā)出低能量（h 1 ）的光，換句話說，就是波長短的頻率高的光激發(fā)出波長長的頻率低的光（21 ，21 ） 。熒光物質(zhì)的發(fā)光機(jī)理是：按照分子原理，稀土摻雜的氧化物中含有高化合價(jià)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，這種光就被稱之為熒光。熒光通常位于可見光波段。熒光壽命

7、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)的放出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：熒光壽命的長短由溫度的高低決定。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)出單調(diào)性，則可 利用這種關(guān)系進(jìn)行測溫。線狀光譜的強(qiáng)

8、度受激勵光源強(qiáng)度及熒光材料的溫度影 響，如果激勵光源強(qiáng)度保持不變，線狀光譜的強(qiáng)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(qiáng)度就越強(qiáng)，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(qiáng)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(qiáng)度和信號通道， 很難實(shí)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(shí)際上是光的淬滅過程，溫度的 升高使得品格振動的強(qiáng)度增強(qiáng)，而晶格振動強(qiáng)度的增強(qiáng)又使得參與吸收的分子數(shù) 增多，最終導(dǎo)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 的快慢，即決定了衰變時間常數(shù)的大小。圖 1為熒光特性曲線。圖1熒光特性曲線由圖1可得熒光余輝的強(qiáng)度與實(shí)踐的函數(shù)關(guān)系式為:I(t) Alp(T)e (T)(2)式中：A常系數(shù)；t余輝衰減時間；lp(T) 停止激勵時熒光山I值強(qiáng)度，為溫度 T的函數(shù)；(T) 熒光余輝衰變時間常數(shù)，即熒光余輝壽命，也為溫度T的函 數(shù)，與光強(qiáng)無關(guān)。一般T越大，(T)就越小，所以只要測得(T)的值，就可求解 出T。圖2為某一熒光物質(zhì)的 值與溫度的函數(shù)關(guān)系曲線。圖2某種熒光物質(zhì)的熒光壽命