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荧光光纤温度传感器的研究

摘  要

在很多的特殊的温度检测环境，温度检测会有很多难度，在众多温度传感器中，荧光光纤温度传感器优越特性正日益受到重视。荧光光纤测温技术是根据荧光地亮度随着温度变化这一特性进行检测温度，而这一特性有着化学性质稳定、传输中损耗低、个头小、在电磁场仍能工作等很多优势，在很多温度检测场合应用愈加多了。

本文首先基于光致发光理论论述了荧光材料发光的机理，对几种荧光材料和材料的特性进行分析，选择相匹配的激励光源。然后对较弱的荧光信号实行寿命测温研究，研究是利用时域与频域的方法来检测地。然后，本文讨论了荧光测温方法的基本原理和特点，并提出了一种利用锁相环技术测量荧光寿命的方法，对锁相环检测系统的运行机制进行了总结、比较和分析最后进行了荧光光纤温度传感器系统的总体设计，对其各个环节进行分析实验，并进行了总结。

关键词：光纤传感器  温度测量  荧光寿命  微弱信号检测  锁相环

 

目 录

摘  要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 荧光光纤温度传感器的发展历程 1

1.3 课题研究的目的和意义 3

1.4 研究内容及目标 4

第二章 荧光测温技术的机理和特性分析 5

2.1 前言 5

2.2荧光产生机理及测温原理 5

2.2.1 荧光的产生机理 5

2.2.2 荧光测温原理 6

2.3 荧光材料的选择 8

2.3.1固态激光材料 8

2.3.2 稀土材料 8

2.4 激发光源 9

2.4.1 半导体光源 9

2.4.2 脉冲氙灯 11

2.5 光电探测器 11

2.5.1 PN 和 PIN 光探测器的工作原理 11

2.5.2光探测器的特性参数 12

2.5.3 光探测器等效电路 13

2.6 光电信号检测与变换 15

2.6.1 光电信号的相关检测 15

2.6.2 光电信号的锁相检测 18

2.7 本章小结 18

第三章 荧光寿命型的光纤温度传感器 19

3.1 引言 19

3.2时间常数比较法 19

3.3 积分方法 20

3.4 数字曲线拟合方法 21

3.5 荧光寿命的相位和调制测量 22

3.6荧光寿命的相位锁定测量 23

3.7本章小结 24

第四章 荧光光纤温度传感系统总体设计 25

4.1 引言 25

4.2 系统组成 25

4.3 传感探头设计及荧光材料选择 27

4.3.1 激励光源的选择 27

4.3.2 荧光材料的选择 27

4.3.3 传感探头的设计 28

4.4 系统的电路设计 29

4.4.1 光电探测器 29

4.4.2信号处理系统 30

4.4.3 单片机系统 35

4.5 本章小结 37

第五章 实验数据与分析 39

5.1 引言 39

5.2 敏感材料的光谱实验 39

5.3温度测试实验 40

5.3.1 系统的实验装置 40

5.3.2 实验结果与分析 41

5.4 本章小结 42

结  论 43

参 考 文 献 44

致  谢 46

 

第一章 绪论

1.1 引言

无论是工业上还是科学的实验进程里，温度的控制是很重要的，而控制温度就要对温度进行检测。在生活生产过程中，很多都需要进行温度的检测，许多方面温度在生产过程中的起到指示作用，因此温度的测量在现代生活生产中十分重要。

在实际生产生活中，测量环境有些时候会很复杂，传统的温度传感器，如热电偶、光学高温计、电热温度调节器，在较为复杂的测温条件下，如存在强的电磁场，或着温度或压强很高、容易爆炸、具有腐蚀性等测温条件下，这些温度传感器有时候并不能完全胜任。因此，需要找到一种温度传感器，要有可靠性能高、电磁的干扰下能继续工作、不导电、便宜、响应的速度较快、个头小等优点。而荧光光纤温度传感器以其特性，使其有着独特的优势。

在实际测温环境中荧光光纤温度传感器的优势主要有以下几个方面：

（1）光纤不导电，温度很高、腐蚀条件仍能运行检测，所以光纤温度传感器能够在温度高、压强高和腐蚀强的、有可能会爆炸的环境下进行检测，荧光光纤温度传感器能够非接触性检测，不会对被测物产生不良影响。

（2）测量环境中的电、磁，对光纤影响非常小，不会引起电器安全问题，不会吸收电磁辐射而影响温度的测量。

（3）荧光温度传感器更加安全可靠。其探头没有电流，不会有电火花，如在有可燃性气体的环境里，不会引起爆炸。

（4）荧光光纤温度传感器个头小，可以长时间进入不容易到的地方，能够遥感温度。

1.2 荧光光纤温度传感器的发展历程

在早期时候使用铕离子进行镧的活化，然后将其用于系统（型），从不同（铕离子）激发态的谱线组成的稀土荧光物地荧光。温度地函数是在激励以后活化离子在不相同的激发态对应的数目，所以温度的高低会影响谱线发出光的强度。然后经过过测量在不相同的激发态的两个谱线的光强，然后由发光的强度比输出要检测的温度。

1992年，K. IN. Grattan和Z.Y Zhang等发现了一种光纤温度传感器，这种光纤温度传感器能从室温到700℃进行连续测量。在这种传感器中他们使用地激发光源为波长是的激光器，亚历山大石材料用作探头部分。

1993年，K. IN. Grattan和Z.Y Zhang等研究出一种新型温度传感器，这种温度传感器采用锁相环技术用来检测荧光寿命。D. Barton Smith和Todd V. Smith提出了一种用Y202S:Eu晶体作为探头的光纤温度传感器。此温度传感器比很多温度传感器有非常多优势，如：在高压下不影响温度检测；温度的检测精确度很高；传感器能够随时进行测量等。

1995年，K. T. V. Grattan和A. W. Palmer等研究出一种使用红宝石材料的简易的光纤温度传感器。经过比较之前的温度传感器，可以看出红宝石材料的温度传感器的测量精度更加精确。因而红宝石温度传感器能使用在环境的监测与食品检验方面。

1996年，和等研制了一种探头，其使用的是荧光寿命进行温度检测，这种传感器探头有着很高的采 集效益。他们的文章中提出了探头地晶体结构，其反射率，和光纤的使用位置和数目等条件用来评价探头的参数。这种传感器探头采用的材料是亚历山大石晶体。这种传感器在温度为之间，精确度能到达。

1997年，Z.Y Zhang和T. Sun等提出应用晶体到荧光光纤测温系统，这种晶体材料随着检测温度的升高荧光寿命地改变非常慢。K.T.V. Grattan和Z.Y Zhang等研究了一样荧光光纤温度传感器。在研究中对比了Cr:(Mg,Fe)Si04和CrMg2Si04两种晶体材料用作探头的荧光温度传感器，使用红色的激光二级管作为光源。最后实验地数据表明从常温到200℃地温度内，这些晶体探头检测精度很高。

1998年，G.W. Baxter和S.F. Collins等提出了荧光强度比与荧光寿命两种测量方式，并对荧光光纤温度传感器的使用性能进行对比。经过对比分析得到在温度很低条件下，荧光强度的温度检测方式有更大的优势。如果温度升高，在一定温度里，则荧光寿命的检测方式有更大优势。

K.T.V. Grattan和Z.Y. Zhang等发现了一种高温光纤传感器探头的热敏特性，这种探头的材料是亚历山大石晶体。这种探头在-40～700℃之内可以进行测量，系统有着低于1s的响应时间。

2000年，W. Lin和D.P. Jia等研究出一样多通道荧光温度检测系统，这种系统有几百个通道。这种系统可以使用在有高压电装备的地方，这种系统每个测量通道的价格大大被缩减了。

以上就是国外在荧光光纤温度传感器的部分科研成果，并且出现了一些很好的温度检测方式和检测系统。

我国对荧光温度传感器也进行了很多研究。

在1998年，华南理工大学研究了使用红宝石材料作为光纤传感器地探头，这种探头材料性能稳定坚固且不易被腐蚀，并且这种红宝石晶体成本较低，研究发现这种光纤传感器成本低，并且性能稳定，很合适用在检测大型机电设备内地温度和狠毒感应炉、加热炉的温度[1]。

郑州大学于1999年，研究出荧光光纤温度传感器的表面非接 触检测，相对其它光纤温度传感器，强度调 制型荧光光纤温度传感器有着更多优势。这种传感器对以前传感器的传感方面进行了改进，这种传感器采用了晶体用作探头的材料，这种传感器能对运动地物体进行非接触性温度测量。

浙江大学在2000年研究出一种温度传感器使用的是蓝宝石的单晶光纤，能检测从常温至的温度。这种传感器把光纤荧光温度检测技术与光纤辐射温度检测技术的优势组合一起，使用（铬离子）掺入蓝宝石的单晶光纤，让两种技术的优势组合在一起，然后仅使用一个光纤探头就可以从低至高间地温度都进行检测。

在2001年，西安交通大学研究出一种荧光温度传感器，可以进行检测射线探 伤机地高压包热场的散布情况。其使用的多路光纤传感器为荧光辐射型的，能测量充气变频射线探伤机的高压包中热场的散布情况，然后对检测的结果进行记录分析。

1.3 课题研究的目的和意义

本课题对荧光温度检测机理做出了理论上的分析和进行实验上的钻研，然后研究了光纤的相关技术，研究出用在点温度检测的荧光温度检测系统。

根据遵照斯托克斯定律，荧光材料可以吸收比较短的波长的光，然后释放比较长的波长的光，这种发光状态能用周围固体发光地能带理论和发光中心解释。在紫外线或者红外线激励之下有些稀土磷类物质有着很到的光谱效应，荧光温度传感器采用这一特性工作，并且愈加受到人们的关注。很多实验研究表明，在紫外、红外或其它光激励后一些稀土类物质会发射荧光，而发出的荧光强度或者寿命特性与温度有很大的相关性，因此经过很多人与组织的研究，荧光温度传感器取得了很大进展。在之前的十几年里，很多荧光光纤温度检测系统出现，但是大部分系统，初始时是依据荧光强度地温度相关性工作的。

随着国内和国外不懈的研究，荧光光纤温度传感器的应用范围会更加广泛。这一温度温度检测技术的发展，对科学研究与生产生活有着很多影响。可以预见，荧光光纤温度传感器技术会温度检测方面走得更远。

1.4 研究内容及目标

本文主要研究内容和目标如下：

(1)分析荧光产生的机理及其光学特性与温度的相关性，对现已发现的荧光材料进行研究分析，并研究发现更好的荧光材料。

(2)对荧光寿命测温技术进行研究，分析荧光寿命检测方法，然后对寿命测温技术进行仿真实验及进行分析。 

(3)对微弱信号进行检测研究；然后设计传感探头； 设计透镜、光电转换器件、滤光片等；把激励光源的泄露对荧光信号的影响问题解决。

(4)对荧光信号的锁相检测理论进行研究，分析荧光寿命至锁相环的压控振荡器的频率的输出转换，设计锁相环电路，并进行分析测试。

(5)对荧光光纤温度测量系统进行总体的设计，对系统各组成部分进行检测分析，然后进行实验，得到实验数据进行记录和总结。

 

参 考 文 献

[1] 伞宏力.微波消解的温度在线检测系统研究. 检测技术与自动化装置，2005

[2] Z.Y Zhang, K.T .V. Grattan and A. W .Pamler.  Fiber optical temperature sensor based  on the cross referencing between blackbody radiation and fluorescence lifetime. Rev.Sci. Instrum.,1992,63 (5): 3177-3181

[3] 张扬.荧光光纤温度传感器.光学工程，2005

[4] 贾丹平,沈一锋.荧光余辉光纤测温法研究.沈阳工业大学学报，1998，20(2)：15 -18

[5] 耿丽琨.荧光寿命光纤测温系统及其信号处理的研究.精密仪器及机械，2006

[6] 王晓娜.光纤温度位移测量的理论与实践研究.测试计量技术及仪器，2001

[7] K.T.V.Grattan and Z.Y.Zhang. Fiber optic fluorescence thermometry. London: CHAPMAN & HALL, 1995:1-200

[8] K.TV Grattan, A.W Palmer. Temperature dependences of fluorescence lifetimes in Cr3+-doped insulating crystals. Physical Review B,1993,48(11):7772-7778

[9] 田作喜,崔桂华.锁相放大器在激光检测水下声信号中的应用.'98全国声学学术会议论文集，1998

[10] D.P. Jia, W. Lin. The realization of multi-channel fluorescent temperature measuring  system. Proceedings of SPIE,2000(4077):264-267

[11] 李凤鸣.基于DSP的数字锁相放大器的设计.哈尔滨工程大学，2011

[12] 徐竞.基于荧光寿命的光纤温度测量系统的研究.测试计量技术及仪器.燕山大学，2002

[13] 中国计量出版社组.测量与传感电路.中国计量出版社，2001:45-46

[14] 杨性愉.光学检测原理与技术.内蒙古大学出版社，1995:262-276

[15] 吴运昌编著.模拟集成电路原理及应用.华南理工大学出版社，1995:125-127

[16] 刘教民.MCS-51系列单片机与数字式温度传感器的接口设计.电测仪表，1990,27(10):41-42

[17] H.Aizawa, E.Toba, T.Katsumata. Long duration phosphor for a fiber-optic thermometry. SICE. 2002: 2972-2975