苏ICP备112451047180号-6
基于LED光源的荧光温度检测系统设计
摘 要
本文主要进行了如下的研究工作：
（1）基于电子跃迁理论论述了荧光材料作为温度敏感介质的机理，介绍了固体激光晶体、稀土化合物和稀土离子掺杂的光纤的温度敏感特性；通过对了几种光源特性的比较，确定以 LED 作为激励光源。
（2）由于荧光较弱，以及光纤、透镜、滤光片的损耗，对系统的光学配置方式及组合进行了研究，设计了高荧光收集效率的探头形式。
（3）本文在总结前人研究工作的基础上，对荧光寿命型光纤温度传感器系统中的关键技术—荧光寿命锁相检测方法在理论上进行了系统的研究，对各种荧光寿命锁相探测系统的运作机理进行了归纳、比较和分析。
（4）设计了一种基于 LED 光源的荧光温度检测系统，给出了各个环节的传递模型和噪声模型。为了提高检测电路的分辨率，设计了一种双锁相环电路，分析论述了其电路工作原理。由微控器控制整个系统的运行。
关键词 光纤传感器； 荧光； 温度测量；锁相环；微弱信号检测
目录
摘 要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1.1 课题的目的、意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 荧光光纤测温原理与荧光光纤温度传感器的分类 2
1.4 主要研究内容 4
第 2 章 光纤荧光温度传感机理及特性分析 5
2.1 引言 5
2.2 荧光或磷光的产生机理 5
2.3 固态激光材料的敏感机理 7
2.3.1 Cr3+离子的光谱 7
2.4 稀土材料的温度敏感机理 8
2.4.1 稀土材料的温度敏感机理 9
2.4.2 稀土离子掺杂光纤的温度敏感机理 10
2.5荧光的激发光源 10
2.5.1 发光二极管 11
2.5.2 半导体激光器 11
2.5.3 氙灯 12
2.6 光探测器件 13
2.6.1 PN和PIN光探测器的工作原理 13
2.6.2 光探测器的特性参数 14
2.6.3 光探测器等效电路 15
2.7 光纤的传输特性 16
2.7.1 光纤的损耗特性 16
2.7.2 光纤的色散特性 17
2.8 光纤与传感器的耦合光纤与传感器的耦合 17
2.8.1 光纤与光源和探测器的耦合 18
2.8.2 光纤与敏感介质的耦合 18
2.9 光电信号检测与变换 18
2.9.1 光电信号的相关检测 19
2.9.2 光电信号的锁相检测 21
2.10 本章小结 22
第3章 荧光寿命测温技术的基本理论 23
3.1 引言 23
3.2 荧光寿命 23
3.3 荧光寿命检测方法 24
3.3.1 时域法 24
3.3.2 频域法 25
3.4 荧光寿命锁相检测理论 25
3.4.1 从“锁定”到“锁相”探测 26
3.4.2 模拟调制激发源和单参考信号的PLD 27
3.4.3 激励光泄漏对单参考信一号PLD系统的影响 28
3.5 本章小结 29
第 4 章荧光光纤温度测量系统设计 30
4.1 引言 30
4.2 敏感材料吸收、发射光谱和激励光源的确定 30
4.3 系统的总体框图系统的原理框图 31
4.4 光源驱动电路的设计 32
4.5 探头的设计 32
4.6 微弱荧光信号检测电路的设计 33
4.6.1 前置放大电路的设计 33
4.6.2 前置放大器的噪声分析 36
4.6.3 滤波电路的设计 38
4.7 过零检测和相敏检测电路的设计 39
4.8 占空比检测电路的设计 40
4.8.1 基本方法 40
4.8.2 积累的方法 41
4.8.3 仿游标卡尺（双锁相环）电路的设计 41
4.9 单片机处理系统设计 43
4.9.1 硬件电路设计 43
4.9.2 软件的设计 44
4.10 本章小结 44
第 5 章 光纤荧光温度传感系统的实验研究 45
5.1 引言 45
5.2 敏感材料的光谱实验 45
5.3 温度测试实验 46
5.3.1 系统的实验装置 46
5.3.2 实验结果与分析 46
5.4 本章小结 48
结 论 49
参考文献 50
致谢 52
本文主要研究内容如下：
(1)荧光材料物理性质的研究，在国内外已有荧光材料报道的基础上，寻求更新更好的材料，并设计传感器探头。
(2)研究荧光材料在函数脉冲或方波脉冲激励下所呈现的光学特性与温度的确定或非确定关系，以及这一特性的温度相关性。
(3)研究微弱荧光信号的检测方法；光学系统的设计与优化，对激励光源调制电路进行设计，对透镜、滤光片、光电转换器件等进行设计；解决激励光源泄露对荧光信号的影响问题。
(4)锁相技术的研究，完成荧光寿命到锁相环压控振荡器频率输出的转换，合理设计锁相环电路。
(5)采用与调制荧光信号相关的双参考源相位锁定测量方案，实现荧光寿命在无激励光干扰情况下的实时测量。设计一套温度测量，合理选择部件，并对系统实验进行分析，验证系统可行性。
参考文献
[1] 张友俊.非接触性荧光光纤温度传感器.传感器技术.1999(3):45-46.
[2] Ahmet E. Eroglu, Murvet Volkan and O. Yavuz Ataman. Fiber optic sensors using novel substrates for hydrogen sulfide determination by solidsurface fluorescence. Talanta (an international journal of analytical ch2000,53(1)89一101.
[3]王玉田，郑龙江，侯培国.光电子学与光纤传感器技术.国防工业出版社. 2003.10.
[4] Jesus Castrellon, Gonzalo Paez and Marija Strojnik. Remote temperature sensor employing erbium-doped silica fiber. Infrared Physics and Technology. 2002,43(3一5) 219-222.
[5]沈林放，钱景仁.高稳定宽频带掺饵光纤超荧光光源.光学学报. 2001,21(3). 300-304.
[6]郭小东，乔学光，贾振安，王小凤.高功率宽带掺饵超荧光光源.光电工 程.2004,31(9). 18-21.
[7]钱景仁.掺饵光纤超荧光宽带光源的实验研究.中国激光.1998,:25(11): 989-992.
[8]吴秀丽，王历.高精度荧光光纤温度仪.光机情报.1990(5).38-39.
[9]贾月平.荧光余辉光纤测温法研究.沈阳工业大学学报.1998,20(2)15-18.
[10] H. C. Seat, J. H. Sharp. Single-crystal ruby fiber temperature sensor. H.C.Seat,J.H.Sharp.Sensors and Actuators A: Physical. 2002,101(1-2)2,1-29.
[11] 贾丹平, 沈一峰，吴江等.荧光余辉光纤测温法研究.沈阳工业大学学报, 1998, 20（2）:15-18
[12] Jia,Danping, Lin,Wei, Bai,Jingjie et al. Realization of multi-channel fluorescent temperaturemeasuring system. SPIE. 2000, (4077): 264-267
[13] 牟同升. 用单光子计数法测量稀土荧光材料的激发光谱. 光学仪器,1999, 21（2）:9-13
[14] 胡红利, 张晓鹏, 徐通模等. 用荧光光纤温度传感器测试 X 射线探伤机高压包热场分布. 高压电器,2001, 37（3）:26-32
[15] 徐光宪主编.稀土（上册，第 2 版）.北京：冶金工业出版社,2002: 29-45
[16] 徐光宪主编.稀土（下册，第 2 版）.北京：冶金工业出版社,2002: 124-185
[17] G.Keiser. Optical fiber communication. Boston:Mc Graw Hill,2000:125-140
[18] 安毓英，曾小东.光学传感与测量.北京：电子工业出版社，2001:203-220
[19] 高建军, 高葆新, 梁春广. PIN 光电探测器等效电路模型研究.微波学报, 1998, 14（1）: 29-34
[20] 刘卫东, 刘延冰, 刘建国. 检测微弱光信号的 PIN 的光电检测电路的设计. 电测与仪表, 1999,36（4）: 28-30
[21] Gerald L. DeVault, Michael J. Sepaniak. Electro filament deposition and off column detection of analytes separated by capillary electrophoresis. Electro phoresis. 2000,21(7) 1320-1328.
[22]叶林华. 蓝宝石单晶光纤高温仪的研制[J] . 红外与毫米波学报,1997 ,16(6) :437 - 440.
[23] Grattan K T V ,Palmer W,and Zhang Z. Development of a high temperature fiber optic thermometer probe using fluo rescent decay[J ] . Rev. Sci. Instrum ,1991 ,62(5) :1210 -1214.
[24] Zhang Z Y,Grattan K T V ,Palmer A W,meggitt B T and Sun T. Fluorescence decaytime characteristics of erbium doped optic fiber at elevated temperature [J] . Sci. Instrum. ,1997 , 68(7) :2764 - 2766.
[25] Ye Linhua ,Zhang Yue fang ,Zhao Weizhong and Shen Yong hang. Sapphire fiber thermometer based on fluorescence lifetime measurement [C] . In SPIE Proceedings ,Shanghai , Chian. 4920(2002) :25 - 30.
[26]叶林华. 沈永行. 传感与传能用蓝宝石单晶光纤的生长与光学特性[J ] . 红外与毫米波学报,1997 ,16 (3) : 221 - 225.
[27] Wall W A ,Karpick J T, and Dibartolo B. Temperature dependence of the vibronic spectrum and fluorescence lifetime of YAG :Cr3+ [J] . Solid st. Phys. , 1971 , 4 : 3258 -3264.
[28] Zhang Zhiyi ,Grattan K TV ,and Palmer Andrew W. A novel signal processing scheme for a fluorescence based fiber2 optic temperature sensor[J] . Rev Sci Instrum ,1991 ,62(7) : 1735 - 1941.