（材料物理与化学专业论文）紫外激发荧光光纤温度计的研究.pdf

摘要 论文研究了一种通过检测荧光强度来实现温度测量的双光路荧光光纤温度 计，该系统可以嵌入被测物体中实现温度检测。这种测温方法运甩改进的双光路 补偿技术提高了荧光光纤温度计的测量精度和重复性。能可靠地应用于微波、高 压、大电流等具有强电磁场干扰的环境。 论文在大量查阅相关文献的基础、k ，首先从理论上对荧光光纤温度传感器的 测温原理进行了较详细的阐述，对系统所选用紫外光源及荧光材料的温度特性进 行了系统的研究。通过比较论证为系统选出了最佳的紫外光源及荧光材料，建立 了双光路传感器的数学模型。针对目前荧光光纤温度传感器在实用化过程中遇到 的重复性差的问题，分析了造成光纤测温系统重复性差的扰动因素，在比较了几 种具有代表性的解决光路扰动的补偿方法的基础上，提出了一融改进的双光路补 偿方法一匾温差分方法来克服系统中可能存在的光路和其它原因引起的扰动。 文中详细描述了系统光路和电路的组成，围绕提高测温系统的重复性和测温精度 这一目的分析了光路中各器件的特性，设计了高速、宽带、低噪声的微弱信号检 测电路，针对电路干扰提出了相应的解决办法。利用虚拟仪器开发平台一一 l a b v i e w 开发了系统虚拟仪器界面，并在该虚拟仪器界面下实现了数据文件的自 动存储与删除。提高了系统处理大量数据的能力和测量精度，完成了温度测量的 双光路荧光光纤温度计的原型机研制。 关键词：光纤温度传感器；鬣外激发荧光：改进的双光路补偿法；微弱信号检测； 温度测量；虚拟仪器 a b s t r a c t af l u o r e s c e n c e b a s e do p t i c a lf i b e rt h e r m o m e t e rw i t hd o u b l eo p t i cp a t h si s i n t r o d u c e d i nt h i st h e s i s 。t h e p r i n c i p l e o ft h es e n s o ri sb a s e do nf l u o r e s c e n c e i n t e n s i t y o f m a t e r i a l st h a t m o n o t o n o u s l yd e p e n d s o n t e m p e r a t u r e i n t h es e n s o r s y s t e m ，a n i m p r o v e dd o u b l eo p t i cp a t h sc o m p e n s a t i n gm e t h o di sa p p l i e dt oi m p r o v ea c c u r a c ya n d r e p e a t a b i l i t y t h es e n s i n gs y s t e m n o t o n l y c a nb ee m b e d d e di n o b j e c t s t od e t e c t t e m p e r a t u r e ，b u t a l s o a p p l i e dr e l i a b l y t oc o n d i t i o n sw i t h s t r o n ge l e c t r o m a g n e t i e d i s t u r b a n c es u c ha sm i c r o w a v e ，h i g hv o l t a g ea n d h i g hc u r r e n t b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no fr e l e v a n tl i t e r a t u r e s ，t h ep r i n c i p l eo ff l u o r e s c e n c e b a s e d o p t i c a lf i b e rt h e r m o m e t e ri sd i s c u s s e di nc h a r t e r2 t h e nt h et e m p e r a t u r ep r o p e r t i e so f u l t r a v i o l e tl e da n df l u o r e s c e n tm a t e r i a l sa r ec h a r a c t e r i z e da n dt h em o s ts u i t a b l e u l t r a v i o l e tl e da n df l u o r e s c e n tm a t e r i a la r ep i c k e do u tf o rt h es e n s i n gs y s t e m ，a n da m a t h e m a t i cm o d e lo ft h es e n s o ri s p r o p o s e d f a c t st h a te x i s ti n t h ep r a c t i c es e n s i n g s y s t e ma n dr e s u l ti np o o rr e p e a t a b i l i t yo fs e n s i n gs y s t e ma r ea n a l y z e di n d e t a i l s t o s o l v et h e s ep r o b l e m s ，s e v e r a lr e p r e s e n t a t i v ec o m p e n s a t i n gm e t h o d sa r ec o m p a r e da n d ac o n s t a n tt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ec o m p e n s a t i n gm e t h o di sd e v e l o p e d t h eo p t i c a lp a t h s t r u c t u r ea n de l e c t r i cc i r c u i ta r e p r e s e n t e d i nc h a r t e r4a n dc h a r t e r5 t h e c h a r a c t e r i s t i c so fe a c hp a r t so ft h es y s t e ma r ed i s c u s s e di nd e t a i la n daf a i n tc u r r e n t d e t e c t i n gc i r c u i tw i t hh i g hs p e e d ，w i d eg a pa n dl o wn o i s e i s d e v e l o p e d i no r d e rt o r e d u c et h ed i s t u r b a n c eo fe l e c t r i c ，r e l e v a n tr e s o l u t i o ni s p r o p o s e d t oe n h a n c et h e s u b s t a n t i v ed a t a d e a l i n ga b i l i t y a n df u r t h e ri m p r o v et h em e a s u r e m e n ta c c u r a c y ，a v i r t u a li n s t r u m e n td e v e l o p i n gs o f t w a r ei sa d o p t e d b yu s i n go ft h i st o o l ，t h ea c q u i r e d d a t af i l e s a u t o m a t i c a l l ys a v i n ga n dd e l e t i n g i sr e a l i z e di nl a b v i e we n v i r o n m e n t f i n a l l y ，ap r o t o t y p es e t u po f f l u o r e s c e n c e b a s e do p t i c a lf i b e rt h e r m o m e t e ri sf i n i s h e d k e y w o r d s ：f i b e r o p t i c a lt e m p e r a t u r es e n s o r ；u l t r a v i o l e t e x c i t e df l u o r e s c e n c e ； i m p r o v e d d o u b l eo p t i c a lp a t h sc o m p e n s a t i o n ；w e a ks i g n a ld e t e c t i n g t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ；v i r t u a li n s t r u m e n t 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：7 够悟锄伺 日期：聊年厂月，曰 j _ 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名 导师签名 日期： 日期： 年月日 年月日 第1 章绪论 1 1 光纤温度传感器的发展现状 自从1 9 7 0 年美国第一次成功地研制传输损耗为2 0 d b k m 的石英质玻璃光波导 以来，光波导纤维技术在光波导纤维传感器等领域已得到成功的应用。1 9 7 4 年， r o z z e l 等利用液体的光发射能力与温度相关的特性，把它与光纤传光技术结合 起来，制成了早期的光纤温度传感器。1 9 7 7 年，美国海军实验室( n a l ) 开展了 光纤传感器的研究。这样，7 0 年代中期，兴起了光纤传感器的研究工作，光纤温 度传感器则是其中发展的一个重要分支。国外已走出实验室，国内许多大学和研 究单位也研制出各种光纤温度传感器。 与传统方法相比，用光纤技术来测量温度具有以下独特的优点： ( 1 ) 光波传递信息，不受电磁干扰，电绝缘性能好，可在强电磁干扰下完成传统 传感器难以实现的对温度的测量； ( 2 ) 光波传输不产生电火花，不会引起被测介质的燃烧、爆炸，耐高压、耐腐蚀； ( 3 ) 可实现非接触测量，对被测对象不产生影响； ( 4 ) 由于信号载体为光，其频率在4 x1 0 “一6 x1 0 “之间，信息容量大； ( 5 ) 相似或不同的传感器能够级联实现分布式测量； ( 6 ) 能与计算机连接，实现信息存储和数据交换，达到快速准确测控等。 由于光纤的这些突出优势，人们开始从不同角度研究光纤传感器的实现方法，希 望用来解决测量难题。 把光纤技术用到测温上的最直接的方法是把它与传统的技术特别是辐射测温 技术结合起来，用光纤传输辐射信号，代替原来的自由空问传输，这样光纤及其 头部的集光系统就构成一个辐射型的光纤温度传感器。1 9 7 7 年d a k i n 等人1 2 】提出 的光纤高温计，正是基于这种思想。由于这种构思技术上难度不大，又有光纤传 输带来的优点，因此很快商品化。8 0 年代，几乎各主要生产温度仪表的公司，如 英国的l a n d 、美国的i r c o n 、日本的千野等都生产这种温度传感器。国内现在已 有多种光纤辐射温度传感器。其中比较典型的是中国科学院西安光学精密机械研 究所于1 9 8 9 年1 2 月申请的专利“双波长光纤温度传感器【3 l ，该传感器具有结 构紧凑、体积小、成本低、性能高等特点，可用于高温测最，相对误差小于i ， 响应速度小于l o m s 。清华大学于1 9 8 9 年1 月申请的光纤黑体腔温度传感器【4 1 ，由 探头黑体腔、耐高温光纤、光电探测器等部分组成。其测量范围可达4 0 0 - - 1 3 0 0 ，重复性和稳定性可达0 1 ，灵敏度可达0 1 空间分辨率达几百微米，响 应时间为毫秒级，结构可靠、体积小、成本低。1 9 8 8 年7 月哈尔滨工业大学研制 的一种“光纤柬双色温度传感器”，把光电转换硅元件与热敏电阻器装配成一个 整体t 以自动补偿环境温度对硅元件特性的影响，采用特殊薄膜制成的o 0 4 1 0 5 um 双色高性能滤光片，光能损失小，传输效率高。 利用半导体材料的光吸收与温度的关系，可以制成透射式和反射式光纤温度 传感器。半导体材料的吸收边的波长随着温度增加而向长波长位移，选择适当的 半导体光源，使其光谱范围正好在吸收区域，这样透过半导体材料的光强随温度 的增加而减少，而从半导体材料反射回来的光强随温度的增加而增加。利用光探 测器检测出光强的大小可检测出温度。 国外研究人员已尝试利用半导体吸收式光纤温度传感器实现对大型电力设备 的温度状况进行检测6 。9 l ，且取得了较好的效果。国内有学者1 0 j 2 1 用砷化镓半导体 晶片作敏感元件用半导体发光二极管作光源，半导体光电二极管作光电转换元 件，构成了半导体吸收式光纤温度传感器并对其进行了研究。一种利用砷化镓表 面反射率随温度变化的光强反射式光纤温度传感器f i3 j 已实用化，其测量范围为2 0 一2 0 0 ，响应速度小于3 s ，灵敏度小于1 0 c 。 光在光纤中传输，即使在全反射情况下，纤芯中仍有少量的光进入光纤包覆 层而引起光能的损耗。如果把高折射率光纤( 纤芯折射率远大于包覆层折射率) 的某一段包覆层磨掉，让纤芯附近的光场暴露出来或覆上一层很薄的包覆层( 这 种情况下可看作纤芯近似暴露在外部环境中) ，通过测量导出纤芯的光波即可获得 温度信号。a l b e r t 与他的合作者 1 4 1 将一段光纤的一侧刨光，在刨光部分涂上电介 质导波层做成渐逝场传感器来测量温度，把光源发射的光导入系统后，波长呈现 有规则的空间响应，其中心波长的移动量随温度成线性关系。把包覆层磨掉让纤 芯附近的光场暴露出来，这种方法在制作上很繁琐，也难以得到平滑的光学平面。 有学者5 1 采用把光纤拉伸变细，让光场从变薄了的包覆层里穿透出来，但这也不 容易掌握，常常会损坏光纤。现在普遍采用的一种较为理想的技术是在离纤芯一 定距离的地方沿纤芯方向精心的挖一小孔，然后，向小孔里注入液体或气体可以 得到非常平滑的光学平面【l “1 7 1 。 温度的变化能引起光纤相位的变化即相位调制，通过干涉仪来检测相位变化 测得温度。它通常采用两根光纤一一敏感光纤和参考光纤，透过比较两根光纤中 光的相位即可检测出温度。已报道的这类传感器一般具有m i c h e s o n 【l ”、 m a c h z e h n d e r t ”1 、s a g n a c 2 0 1 或f a b r y p e r o t 2 卜2 2 1 等干涉结构。也可采用单根光纤， 这时在光的传输通道上设置两个或多个反射平面，通过比较反射光的相位或透射 光的相位，也能达到检测温度的目的，这类传感器大多采用光纤b r a g g 光栅结构。 光纤b r a g g 光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g - - f b g ) 是一种沿光纤长度方向折射率的周 期性扰动形成的元件。光纤光栅的制造源于光纤的光敏特性【2 ”。自1 9 8 7 年，m e l t z g 等人实现了光纤b r a g g 光栅的u v 光侧面写入技术【2 4 】以后，世界各地的许多研 究机构对光纤光栅产生了极大的兴趣。b a i 一0 ug a u n 等人【2 习设计了一传感器，该 传感器用f b g 来同时测量温度和应力，其温度测量范围为2 0 1 2 0 【2 ，精度达l ，2 。如果将周期光纤光栅的周期增大至上百或数百微米，则称为长周期光纤光栅 ( l o n gp e r i o dg r a t i n g l p g ) 。与光纤b r a g g 栅一样，l p g 也是在光纤轴向产生 折射率的周期性调制。但在光栅周期与耦合机理【2 6 1 方面却不同于光纤b r a g r 栅， 所以长周期光纤光栅是一种新型光纤器件，为光纤传感器开辟了一个新的天地。 v b h a t i a 即实现了用l p g 代替f b g 来测量温度和应力【2 ”，并得出长周期栅( l p g ) 的损耗峰的波长及强度的斜率与温度和应力成对数关系。而h j p a t r i c k 则将两 者结合起来用于温度应力的鉴别【2 8 1 。 随着光纤技术的发展，研究人员发现，利用石英旋光性随温度的变化，充分 运用光纤传输的优点，可以制成精度很高的光纤偏振温度传感器。v a l e r y n f i l i p p o v 及其合作者 2 9 l 用b i 。：t i ：。晶体作为探头材料能同时对高压系统进行温 度和电压的监测，测温精度达0 3 ，同时能检测高达1 0 0 0 千伏的高压。另据报 导，一种高精度补偿式双折射型光纤温度传感器系统已研制成功p “。该系统利用 双折射石英晶体的温度效应来实现对温度的测量，并将补偿技术引入系统，从原 理上消除了光源功率的波动、光纤传输损耗的变化、光纤耦合器藕合比的变化等 因素对于测量结果的不利影响。用两块首尾相接的蓝宝石单晶片代替石英晶体， 因两块晶体的双折射相互平衡，提高了传感器的灵敏度和准确性，能对高达2 0 0 0 以上的温度进行测量，精度可达0 3 5 ，这种系统可广泛用于航空发动机井口温 度测量】。 光纤的特殊结构还导致一种与传统概念不同的温度传感器，这就是分布式光 纤温度传感器。要获得一个一定跨度范围的整个温度信息，使用传统的单点移动 式或由多个单点组成的准分布式传感方式既耗时耗资又在布线上很困难，其性能 价格比是很低的。而这时使用分布式光纤温度传感器系统显然是最有效的方法。 分布式光纤温度传感器通常是将光纤沿温度场分布，测量光在传输时所产生的散 射光根据散射光所携带的温度信息，同时采用光时域反射( o t d r ) 技术，对沿 光纤传输路径的空间分布和随时间变化的信息进行测量或控制。分布式光纤温度 传感器系统最早是在1 9 8 1 年由英国南安普敦大学提出的。随后就有学者尝试采用 具有不同热光系数的材科来制作光纤芯和包敷层来调制集光系数实现分布式测温 3 2 1 。但是它们都有着只能传感有限长度( 或点数) 的缺点( 由于引入了大的损耗) ， 仅适用于很短距离( 几米至凡十米) 的分布式系统。对于较长距离的分布测温应 用，基于散射机理的分布传感系统却显示出无比的优越性。这是因为对于基于散 射机理的分布传感系统，光纤中所损耗的功率直接用于所感应的信号测量。目前 研究最多、最有影响力的基于散射机理的分布式光纤温度传感器系统有：基于光 纤瑞利散射的光时域反射( r a y l i e g h - o t d r ) 测盘系统 基于喇曼散射的光时域反射 ( r a m a n o t d r ) 测量系统：基于光纤光时域反射的布里渊时域反射计法 ( d o t d r b r i l l o u i no t d r ) 测量系统；基于光频域反射技术( o f d r ) 的分布式 温度测量系统。光纤中最强的散射就是瑞利散射3 3 】，从物理学上来说，瑞利散射 是山光纤中非传播的局域密度和成分的不均匀所致，这种不均匀性是在拉纤阶段， 二氧化硅由熔融态变为凝固态的过程中形成的，理论上瑞利散射可由经典的电磁 场理论来描述p “。实验和理论都发现玻璃( 它是组成光纤的组要成分) 的瑞利散 射系数的温度灵敏度极其微弱p5 1 。因此，实现基于瑞利散射的全固光纤的温度分 布系统是很困难的。然而，在某些液体中这种温度灵敏度却很强，如在苯中，其 温度灵敏度高达0 0 3 3 d b k 。利用这一效应，在t 9 8 3 年英国的h a r t o g i ”1 演示了第 一个液体纤芯的分布式光纤温度传感器系统，并于1 9 8 5 年用氩离子激光器作为光 源进行了分布式光纤温度传感器的测温实验。同年，h a r t o g 和p a y t e 【3 7 】分别独立地 用半导体激光器作为光源，研制了测温用的分布式光纤温度传感器实验装置。利 用改进的o t d r 技术探测喇曼散射，可以确定沿光纤长度上的温度分布。8 0 年代 英国y o r k 公司”8 l 研制成功d t s l ，d t s 2 型分布式光纤温度传感器，9 0 年代初 又推出的d t s 8 0 型分布式光纤温度传感器就是基于喇曼散射的光时域反射分布 式光纤温度测量系统。除英国以外，日本等国也开展了分布式光纤温度传感器的 研究，9 0 年代初，日本藤仓公司研制成功了基于光纤光时域反射的布里渊时域反 射技术”1 的d f s 一1 0 0 0 分布式光纤温度传感器系统。o f d r 则是2 0 世纪9 0 年以来 的一个新技术，但由于它存在的一个主要问题是光源的相干性一一它将调制接收 到的频谱，从而使要观察的散射信号的空间变化产生畸变，这使o f d r 的应用受 到限制，也是以后研究中需要攻克的难点。然而，上面讨论的这几种分布式光纤 温度传感器系统在空阅两采样点之阃的距离往往不能小于l m ，且测温范围较小。 为此，许多研究人员进行了不懈的努力以缩小温度采样点的距离和提高测温范围。 r i c a r d of e c e d 等人【4 0 l 采用光的拉曼散射原理与单光子技术方法相结合，使温度采 样点间的距离缩小至0 1 m 。而a r e z k iy a t a g h e n e 等人则利用掺钬( h o l m i u m ) 光纤实 现了低温的测量 4 ”。 综上所述，光纤温度传感器的发展时间虽然不长，但种类繁多，下面就已经 实用化或研究较广泛的类型归纳为图1 1 所示。 1 2 荧光光纤温度传感器的应用 荧光光纤测温技术是近年来光纤测温领域的一个研究热点。开始主要采用接 触法进行测温。在一根石英光纤的头部端面上，粘结上- - d , 块荧光材料测温时， 荧光材料与被测物体接触，然后通过光纤导入激励光脉冲激发光纤端部的荧光材 料，使其发射荧光切断激励光脉冲后，由同一根光纤导出荧光余辉，并据此测 量出荧光衰减常数，已知确定材料的荧光余辉衰减常数是温度的单值函数，由此 光 纤 温 度 传 感 器 触式 黑体辐射 半甘体吸收 薄膜干涉 荧光余辉j _ 强度衰减 l 一寿命衰减 接触式厂荧光余辉 l 黑体辐射 石英光纤传输 红外光纤传输 广瑞利散射 l 光导棒传输 布式一l 拉曼散射 图1 1 光纤温度传感器的类型 可得到被测物体的温度值。目前有两种方法来获取温度信息：一种方法是基于荧 光强度与温度的关系的测量，主要通过测量荧光信号中两个不同波长谱线的强度 比值获得输出信号与温度的关系1 4 2 - 4 4 1 。这种方法对激励光源和检测电路的稳定性 要求较高。另一种方法是基于荧光寿命与温度关系的测量。后者又分为两种不同 的途径：一种是所谓调制锁相法【4 5 1 。通过对激励光源的强度进行周期调制，使得 荧光产生同频的响应，由于荧光信号与激励信号问有一由荧光寿命所决定的时延 带来的相差，运用锁相环技术，精确地测出不同温度下两者的相差，就可精确测 定温度。另一种是直接测量荧光强度随时间的衰减测得荧光寿命，由荧光寿命与 温度的关系直接测量出温度【4 “4 ”。其优点是简单直接，但对a d 转换器件的速度 要求较高。1 9 8 5 年，美国l u x t r o n 公司研制成功了利用荧光强度比值进行温度测 量的7 5 0 型传感器，所用的材料为e u ：y ：0 。s ，测温范围为一1 0 0 2 9 0 ，精度为 0 1 【5 0 】。之后又研制成功了利用时间常数进行测温的1 0 0 0 a 型荧光光纤温度计， 其测温范围为一5 0 一1 0 0 ，精度为0 1 响应时间分0 2 5 s 、l s 、4 s 三档。意大利 计量研究院( m i g c ) 研究了两种荧光衰变时间温度计，采用两种不同的传感晶体， 一种是钕：玻璃( n d ：g 1 a s s ) ，另一种是铬：钇铝石榴石( c r ：y a g ) ，工作范围为1 5 2 5 0 ，分别采用脉冲技术和方波调制技术进行信号处理，测温精度能达到0 1 5 1 1 。日本o m r o n 公司研制成功了一种通过测量荧光余辉积分亮度来实现温度测 量的传感器，利用可见光发光二极管作激发光源，传感材料为掺钇和铒的氟化钇 晶体，测温范围为一3 0 1 0 0 。英国学者k t v g r a t t a n 等研究的运用红宝石晶体 作为传感材料，测量其荧光寿命来实现温度测量的荧光光纤温度计，测温范围为 一5 0 5 0 0 1 52 1 。 后来为了测量运动物体的表面温升，又发展了把荧光材料涂敖于被测物体表面 的方法，采用非接触的激励和接收荧光，进而测出被涂敷表面的温度。1 9 8 7 年， 加拿大o n t a r i 0 y d r o 实验室对旋转物体表面做了测温实验，将荧光物质粘接在 被测物体表面，用一根光纤传导激励光激发荧光物质，用另一根光纤接受荧光物 质发射的荧光，测温范围为6 0 1 5 0 5 3 1 。1 9 8 8 年，美国o a kr i d g e 实验室和l o s a l a m o s 实验室联合发表文章阐述了一利，在高速运动、环境恶劣条件下测量永磁电 机转予表面温度的方法。他们将y 2 0 3 ：e u 和y v 0 。：e u 的混合物粘接在转子上，将 两根光纤固定在定子上，通过接收荧光余辉来测量转子表面温度【”l 。近年来，用 芡光光纤测温技术实现对被测物体的非接触测量，国内也有相关报道1 5 5 5 “。 可见荧光光纤测温法是一种全新的测温方法，是光纤测温领域的一个重要研究 内容。荧光光纤温度传感器的最突出优点在于被测对象的温度值与系统的其它变 量无关。例如光源强度的变化，光纤损耗的变化，光纤祸合器耦合效率的变化等 都不影响温度测量结果。因此采用荧光光纤测温技术能实现温度的绝对测量，在低温 和中温范围内有很好的灵敏度和测量精度，仪器稳定性好。 1 3 问题的提出及本论文测温系统的总体结构设想 当前在实验室研究与工业生产中广泛运用的温度传感器主要是贵金属热电偶 温度仪。这种热电偶温度仪虽然较精确，但仍然存在一些缺点和问题需要解决。 其一，热电偶两金属接点处的抗高温氧化能力差，长期使用易产生较大的误差， 甚至失效。特别在有腐蚀性气体的环境中，使用寿命将大大缩短。其二，许多现 代工业生产和科学实验中常常要用到一些特殊的加热设备，如高频加热炉、微波 热疗仪等，由于热电偶的抗干扰能力很差，使得温度检测精度得不到保证，甚至 无法进行测量。 光纤测温技术的发展，可以解决强电磁场、高压、大电流等恶劣环境下传统 方法无法解决的测温难题。导师所在的研究小组开发的微波热疗仪采用的测温仪 器便是热电偶，且该测温仪器工作在强电磁场、高压等环境中。鉴于此，本课题 着手进行荧光光纤温度传感器的研制工作。要求开发的荧光光纤温度计在室温至 5 0 温度范围具有较高的分辨率。针对目前荧光光纤测温领域获取温度信息的两 种主要方法( 基于荧光强度与温度关系的测量与基于荧光寿命与温度关系的测量) 的优缺点，提出了本论文荧光光纤测温系统的总体设计构想：运用单片机技术来 测量荧光材料的荧光强度实现温度测量；在同一单片机硬件电路的基础上，尝试 利用虚拟仪器技术实现荧光寿命的直接测量来获取温度信息。针对前者提出了运 用紫外光源激发荧光材料让其发射出位于可见光区的荧光，通过测量荧光的强度 来获取温度，并运用改进的双光路补偿技术一一恒温差分法双光路补偿技术来改 善系统的稳定性以及提高测量精度的荧光光纤温度计的设计构想。而选择测量荧 光材料的荧光强度来测量温度是基于以下几点考虑：首先，不管是光纤光栅测温 系统、渐逝场光纤测温系统还是半导体光纤测湿系统，传感器的制作几乎都涉及 微制备技术，制作过程复杂，难度大，成本高。其次，虽然荧光寿命t 几乎不受 光纤微小弯曲、变形等外界环境因素的影响，而只与荧光材料的温度特性有关， 为本征物理量，测量荧光寿命t 能实现温度的精确测量。但是荧光材料的荧光寿 命非常短，对a d 转换器件要求很高，用单片机技术实现难度较大。另外，在实 验过程中可根据具体情况，选择不同的荧光材料作为传感材料，灵活性较大，且 传感器易于设计。 全文的内容主要包括七个部分，分别以七个章节来叙述。 第一章绪论，主要综述了光纤温度传感技术的特点、发展现状和应用前景， 重点阐述了光纤温度传感技术领域的一个重要分支一一荧光光纤温度传感技术的 发展动向，力图说明荧光光纤温度传感器的应用前景，这也正是本论文选题的目 的和意义。 第二章详细介绍了荧光的产生过程及荧光的温度传感机理。从光致发光原理 出发，力图从物理概念上阐明荧光的产生过程及其温度传感特性。针对光纤温度 传感器光路中的随机扰动问题，介绍了几种消除扰动的光路补偿技术，提出了一 种改进的双光路补偿技术一一恒温差分法双光路补偿技术来改善系统的稳定性以 及提高测量精度。 第三章主要对紫外光源与荧光材料温度特性进行了研究。对紫外光源进行光 谱分析，同时对荧光材料进行变温光谱分析，为系统找出了最佳的紫外光源和荧 光传感材料。 第四章分析了系统光路中各器件的特性，建立了系统光路模型。 第五章阐述了系统电路的组成，围绕提高测温系统的重复性和测温精度这一 目的分析了电路中各器件的特性，设计了高速、宽带、低噪声的微弱信号检测电 路，针对电路干扰提出了相应的解决办法。 第六章主要对系统的各软件功能模块进行了详细的介绍。 第七章介绍了虚拟仪器开发平台一一l a b v i e w ，分析了用l a b v i e w 开发的虚 拟仪器系统的各程序模块的特点及功能和在本测温系统中的应用。在该虚拟仪器 界面下实现了单片机和后台系统机问的数据交换与数据文件的自动存储与删除， 提高了系统处理大量数据的能力和测量精度。 最后对本论文的研究工作进行了总结，明确了该系统进一步完善的方向。 第2 章荧光光纤测温法的理论基础 2 1 荧光诱导机理及其温度特性 2 1 1 荧光的产生 当紫外光或波长较短的可见光照射某些物质时，物质中的原予或分子吸收一 定的能量，由低能级( 基态e 1 ) 跃迁到高能级( 激发态b 3 ) ：处于激发态的原子 或分子，在大约一亿分之一秒的时间里，以热的形式损失一定的能量，急剧地降 到中间能级( 亚稳态e ：) ，然后又回到基态与此同时，以光的形式发射多余的能 量，这种光即称之为荧光，能发射荧光的物质称之为荧光物质或荧光材料。 每种物质分子中都具有一系列紧密相隔的能带，而每个能带中又包含系列 的振动能级和转动能级。大多数分子在室温时均处于基态的较低振动能级，当吸 收照射光的能量后被激发到能量较高的激发态上，由于激发态不稳定，一部分分 子直接跃迁到低能级上，并伴随光的辐射；另一部分分子由于与同类分子或其它 分子碰撞消耗能量，急剧地降落在第一电子激发态的最低振动能级，并无光的辐 射。处于第一电子激发态最低振动能级上的分子，、继续往下降落至基态的各不相 同振动能级时，则以光的形式发射，所产生的光即是荧光。照射光越强，被激发 到激发态的分子数也越多，因而产生的荧光越强，测量时灵敏度也越高。 尽管几乎所有物质分子都有吸收光谱，但不是所有物质都会发射荧光，即产 生荧光必须满足一定的条件：( 1 ) 该物质分子必须具有与所照射的光相同的频率， 这与分子的结构密切联系；( 2 ) 物质分子吸收了与其本身特征频率相同的能量之 后，必须具有较高的荧光效率。许多吸光物质并不产生荧光，主要是因为它们将 所吸收的能量消耗在与其它分子之间的碰撞中，因而无法发射荧光，即荧光效率 较低。 荧光波长比入射光的波长稍大一些。由于不同的原子和分子有不同的特定能 级，因此发射荧光的特性也不尽相同。一般常见的荧光是人们肉眼看得见的可见 荧光，波长在4 0 0 n m 8 0 0 n m 之间，但是，随着科学技术的发展，又相继发现了 不可见的x 荧光、紫外荧光和红外荧光。 2 1 2 荧光一温度传感机理 如果荧光的某一参数受温度调制，且关系单调，就可用这种关系进行温度测 量。某些稀土荧光材料受紫外线照射后在可见光区激发出荧光，荧光余辉的衰变 时间常数即荧光寿命是温度的单值函数。荧光寿命一般都很短，依赖于不同荧光 物质( 即荧光材料) ，从几百纳秒到几个纳秒，乃至亚纳秒。用d 和d 。分别表示 系统的基态和激发态，研究荧光寿命时主要关心的是激发态的衰减速率，衰减过 8 程可以用以下一组关系表示； d + 马d + h y( 2 1 a ) 芏- j d + a ( 2 1 b ) 生- 其它生成物( 2 1 c ) 马d + q + a ( 2 1 d ) _ 苎型_ d + q + ( 2 1 e ) 其中：v 一一荧光频率： h 一一普朗克常数： q 一消激发或淬灭因子； k ，一一激发态自发辐射光子并回到基态的速率常数； k 。一一分子之间相互作用消激发的速率常数； k 。一激发态演变为其它生成物的速率常数； k 7 ：= k ：。+ k7 ：。一一双分子激发态淬灭的速率常数。 在这种模型下，激发态d + 衰减的速率方程为： 掣一( k , + k q + k p ) 【d 】_ 尼； q l t d * 】 ( 2 2 ) 原则上讲，q 在实验中会发生变化，但实际上，由于激发态寿命很短，所以，在 测量过程中可以认为q 保持不变，因而可将其归入常数置；，并引进表示激发态衰 减的总速率常数。 k = k ，十k p + k 口+ k 2 ( 2 3 ) 其中： k ：= 【q 】 ( 2 4 ) 于是，速率方程( 2 2 ) 简化为：堕! 粤：一k d 】 ( 2 5 ) 由此解出： d = 【d + 】o e 4 ( 2 6 ) 式中【d 】是t = 0 时刻的d 。方程( 2 5 ) 表明激发态按指数规律随时间衰减。 一个理想的探测器检测到的信号直接正比于光子撞击其表面的速率，而后者 又正比于光子发射的速率k ，【d 】。因而由探测信号的衰减得知激发态的衰减。 激发态的寿命t 是一种统计平均值，其积分形式为： ( 2 7 ) 对激发态随时间按指数规律衰减的情况，将方程( 2 5 ) 代入方程( 2 6 ) 得： 。：业兰：! f e - k t d t 。 即激发态平均寿命等于其衰减时间常数的倒数。 荧光强度随时间t 的衰减有下列关系： i ：1 0 e 彤 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 式中：t 为荧光强度从i 。减d , n 1 形时的时间长度，即荧光寿命。通常温度越高，荧光 ，c 寿命越短，只要测得荧光寿命的值，即可求出温度。应用这种方法测温的最大优点，就 是被测温度只取决于荧光材料的荧光寿命，而与系统的其它变量无关，例如激励光源强 度的变化、光纤传输效率、耦合程度的变化等都不影响测量结果。但是，由于荧光寿命 往往都很短( 往往在纳秒数量级) ，对a d 转换器件提出了非常高的要求，往往实现难 度较大。因此，目前很少采用这种方法来获取荧光温度信息。 除此之外，荧光光谱强度与激励光源强度及荧光材料的温度有关，若激励光 源恒定，荧光强度是温度的单值函数。通过滤光片滤除激励光源光谱，测量荧光 余辉发射光谱的强度即可确定温度。这种方法容易受光路扰动的影响。根据前人 的研究发现，荧光光纤温度传感器中使用的传感头在制作时，光纤与荧光材料的 耦合一般是采用胶接方式，因而若耦合点在温度作用下发生任何微小的轴向或横 向位移，都将影响接收点光强的变化。耦合点发生位移主要是由于传感头所用荧 光材料在温度场中发生热胀冷缩导致的，这种热形变带有一定的随机性。除了传 感头的热形变，还有光源与光纤耦合的变化，光纤传输中的弯曲、挤压和部分光 纤在温度场受热发生形变引起的损耗等也将对测量结果构成影响，这些影响都属 于光路的扰动。光路扰动是光纤传感领域中所要解决的主要问题。只有解决了光 路扰动问题，才能从根本上提高光纤传感器测量的精度。 上述这些不稳定因素可以采取各种补偿措施来解决，补偿的方法有很多种， 目前研究最多，也最为行之有效的方法是光路补偿技术。下面将对光路补偿方法 做详细的介绍。 2 2 光路补偿技术 2 2 1 补偿技术的研究现状与分类 国外从8 0 年代初开始盛行对强度调制型光纤传感器信号补偿技术的研究代 表性的学者有英国斯特科莱大学的b c u l s h a w ，i p g i l e s 等人，伦敦大学的 d e n d a v i e s 等人，日本东京大学的h u m i ci n a b ak o b a y s i 等人以及斯坦福大学的 h j s h a w 等人。国内有关光路补偿技术的研究在8 0 年代中期随着光纤传感器的深 入研究而成为一个热门课题，国内有不少学者从事这方面的研究5 7 1 5 8 】。纵观国内 外研究情况，目前在国内外比较有代表性的光纤温度传感器的光路补偿方法主要 有以下几种5 9 l ： ( 1 ) 双波长法。h o m i oi n a b a 和w b s p i l l m a n 等人对双波长法进行了深入的 研究。图2 1 是双波长补偿法原理图。在这种方案中，采用两个不同频率的光源， 将两光源发出的光送入同一根传输光纤中，由于不同频率的光经过了相同的光路， 这两种不同频率的光的强度都受到了光纤传输中扰动的影响，当然还包括光电探 测器的温度漂移和噪声。另一方面，两种不同频率的光受传感器调制不同，因此 感应出的被测信号有所不同，在输出端将两种不同波长的光进行分离检测，经过 圈2 1 双波长补偿法原理图 数据处理找出被测信号，从而达到补偿的目的。该方法能有效地补偿光路的传输 扰动，目前多用于半导体吸收式强度调制型光纤传感器f 6 0 1 。 双波长补偿方法结构较复杂，同时由于不同波长的光在光纤中传输特性的差 异，所以在实际应用中受到较多的限制。 ( 2 ) 双光路法。双光路法是传统的强度调制型光学测量技术中行之有效的抗 干扰方法。起初，人们简单地将双光路法直接引入强度调铝4 型光纤传感器中，其 原理如图2 ，2 所示。这种方法是将光源发出的光经分光器件分为两路，一路经过传 感器感应温度变化，另一路作为光源光强参考，对两路信号做比就可以消除光源 光强波动对测量结果的影响，这种方法结构简单补偿效果明显【5 ”。但这种方法只 能对光源的波动具有补偿作用，对光电探测器的温度漂移、噪声以及光路中的扰 动等问题则无补偿作用。因此在实际应用中又衍生出各种改进型双光路补偿方 案。 除上述两种具有代表性的补偿方法外，还有其它补偿方法，比如c u l s h a w 网 络法和四端网络法等。这些方法在一定程度上对上述两种补偿方法进行了改进， 图2 2 双光路补偿法原理图 但其约束条件多，在特定条件下才能达到所需要的测量精度，稳定性往往难于保 证。 2 2 2 双光路补偿方案 综上所述，光路补偿技术能在一定条件下解决信号在光路中的扰动问题。在 荧光光纤温度传感器中，除了光源光功率的波动、光电探测器的温度漂移对传感 器有较大影响外，光路中的各种扰动对传感器的测量结果也有很大的影响。光路 中的各种扰动往往是随机的，因此不采用光路补偿将无法有效地排除它对传感器 的影响，而它对传感器的影响又无法忽视。如何有效地排除各种扰动对传感器测 量结果的影响，是在过去的研究中遇到的一个难以解决的阀题，也是本课题研究 的重点和难点之一。 双光路补偿法对光路扰动的补偿作用在上面做了简单的介绍，该方法是将光 图2 3 系统双光路补偿方案 源发出的光经分光器件分为两路，一路经过传感器感应温度变化，而另一路不经 过传感器，因而也不感应温度的变化因此能补偿光源的波动。但由于两光路不 对称，无法补偿光电探测器的温度漂移、噪声以及光路中的扰动。本课题即对此 方案加以改进，使两光路对称，改进方案原理如图2 | 3 所示。在这种改进方案中， 采用两个完全相同的传感器，其中传感器1 感应外界温度变化，传感器2 置于恒 定温度场中。将光源发出的光经分光器件分光后导入两传感器中，由于两路光经 历了相同的光路，这两路光的强度都受到光路中的扰动、光电探测器的温度漂移 及噪声的影响；同时，由于两传感器被放置于不同的温度场中，两路光受传感器 调制不同，因此感应出的被测信号有所不同，在输出端将两路信号进行差分，即 可将光路中的各种扰动及光电探测器的温度漂移、噪声抵消掉，得到受温度调制 的有用信号，从而达到补偿的目的。 第3 章光源与荧光材料性能分析 3 1 光源与荧光材料光学性能分析实验系统 3 1 1 光源与荧光材料光学性能分析实验装置 根据现有的实验条件，根据荧光诱导机理及其温度特性播建了紫外光诱导荧 光光谱分析实验系统，其结构框图如图3 1 所示。紫外光诱导荧光光谱分析，是利 恒温控制荧光材料透镜1透镜2 图3 ，1 紫外光诱导荧光光谱分析实验系统结构框图 用紫外光使荧光材料中电子处于基态的原子或分子激发，再对从激发态回落到基 态所发射的荧光进行光谱分析的测试方法【6 卜6 2 】。实验系统使用温度调节范围为3 5 到1 0 0 c 的恒温控制箱来产生温度场，将荧光材料置于温度场中。温度场由e h 仪的l 路输出控制，其2 路输出控制紫外光源的发光强度。荧光材料吸收