（精密仪器及机械专业论文）荧光寿命光纤测温系统及其信号处理的研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 摘要 在测量科学和工业过程控制中，温度是最重要的被测参数之一。许多 应用领域面临的特殊环境会对温度测量造成一些实际的困难，特别在一些 难以接近或恶劣的环境，如射频辐射或其它电磁噪声干扰环境下，需要光 学传感器进行温度测量，其中荧光光纤温度传感器以其抗电磁干扰、体积 小、传输损耗低、耐腐蚀等优点成为这个领域的前沿课题。 本文基于光致发光理论论述了几种荧光材料的发光机理，分析了荧光 材料的温度特性，论述了荧光测温法的基本原理及特点。对激发光源的特 性以及光信号传输部分，包括光源与光纤、光纤与敏感单元( 探头) 、光纤 与光探测器的耦合特性进行分析。 阐述了荧光寿命的基本原理，研究了荧光寿命的脉冲法和相位调制法 两种检测方法。本文采用锁相法检测相位的方法来检测荧光寿命。重点介 绍锁相检测理论，对锁相环路的基本概念、环路的基本组成与数学模型等 作了详细的研究。 在对国内外研究现状进行深入分析的基础上，本文设计了一套以锁相 环技术为核一t l , 包括硬件和软件两个部分的荧光光纤温度测量系统。根据 2 7 3 4 2 3k 的测温范围，选择了合适的敏感材料，并选择与之匹配的激励 光源。设计了高收集效率的荧光探头。对光电探测器、前置放大电路、滤 波电路、锁相环等电路进行详细分析和设计。本系统采用m s p 4 3 0 单片机 对锁相环输入信号进行处理，以及用单片机来实现荧光寿命的检测，温度 计算以及显示的功能。 本文对l e d 吸收光谱进行测试；对系统的误差进行了分析；对红宝 石晶体进行了温度和寿命关系的实验，得到了较高的测量精度和分辨率。 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 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e t e m p e r a t u r e i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r si nt h e m e a s u r e m e n ts c i e n c ea n di n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r 0 1 i ti sd i f f i c u l tt om e a s u r e t e m p e r a t u r ei ns o m es p e c i a ls i t u a t i o n si nt h es p e c i a lf i e l d s i np a r t i c u l a r , t h e r e q u i r e m e n tt om e a s u r et e m p e r a t u r ei ni n a c c e s s i b l eo rd i f f i c u l tc i r c u m s t a n c e s ， s u c ha st h o s ei nr fr a d i a t i o n ，o ro t h e rn o i s ye l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n t s ，t h e o p t i c a ls e n s o rh a sb e e nt h ei m p e r a t i v e si nt h ed e v e l o p m e n to fo p t i c a ls e n s o r s f o rt h i sp u r p o s e t h eo p t i c a lf i b e rf l u o r e s c e n c et e m p e r a t u r es e n s i n gs y s t e mi sa p r e c e d i n gp r o b l e mi nt h i sr e s e a r c ha r e a t h ev i r t u e so ft h ef l u o r e s c e n c eo p t i c a l f i b e rt e m p e r a t u r es e n s o ra r ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c er e s i s t i n g ，l i t t l eb u l k ， l o wt r a n s m i s s i o nl o s s ，c o r r o s i o nr e s i s t i n g m o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni sp a i do n t h ef l u o r e s c e n c eo p t i c a lf i b e rt e m p e r a t u r es e n s o r i nt h i s p a p e r , t h el u m i n e s c e n c et h e o r y o ff l u o r e s c e n c em a t e r i a li s d i s c u s s e db a s e do np h o t o l u m i n e s c e n c e s e v e r a lc o m m o nf l u o r e s c e n tm a t e r i a l s a n dt h e i rt e m p e r a t u r ec h a r a c t e r sa r ei n t r o d u c e d t h eb a s i cp r i n c i p l ea n d c h a r a c t e r i s t i co ff l u o r e s c e n c em e a s u r e m e n tm e t h o d so ft e m p e r a t u r ea r e d i s c u s s e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee x c i t a t i o nl i g h ts o u r c ea n dt h ep a r to f o p t i c a ls i g n a lt r a n s m i s s i o ni n c l u d i n gt h ec o u p l i n gb e t w e e n1 i g h ts o u r c ea n d o p t i c a lf i b e lo p t i c a lf i b e ra n ds e n s r i v ep a r t ，o p t i c a lf i b e ra n do p t i c a ld e t e c t o r a r ea n a l y z e d t h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h ef l u o r e s c e n c el i f e t i m ei si n t r o d u c e d ，a n dt h e p u l s ea n dp h a s ed e t e c t i o nm e t h o d so f t h ef l u o r e s c e n c el i f e t i m ea r er e s e a r c h e d i nt h i sp a p e r , p h a s e - l o c k e dl o o pi su s e dt od e t e c tt h ep h a s eo ft h ef l u o r e s c e n c e t og e tt h ef l u o r e s c e n c el i f e t i m e t h em e t h o df o rt h ed e t e c t i o no ff l u o r e s c e n c e l i f e t i m et h a tu s e st h et e c h n o l o g yo ft h ep h a s e l o c k e dl o o pi sm a i n l yp r o p o s e d t h eb a s i c p r i n c i p l e a n ds t r u c t u r ea n dt h em a t h e m a t i c sm o d e lo ft h e p h a s e l o c k e dl o o pa r er e s e a r c h e di nd e t a i l i t a b s t r a c t t h ef l u o r e s c e n c et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e mw i t ht h ep h a s e l o c k e d l o o pt e c h n o l o g ya st h ec o r ei n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep a r t si sd e s i g n e d i nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h ei n t e r e s t i n gt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tr a n g eo f 2 7 3 4 2 3k ，t h ep r o p e rs e n s i t i v em a t e r i a li ss e l e c t e da n da c c o r d i n g l yt h el i g h t s o u r c ei ss e l e c t e d t h ed e t e c tp a r to ft h i ss e n s o rs y s t e mw i t l l1 1 i g hc o l l e c t e f f i c i e n c yi sd e s i g n e d t h ed e t e c t o r , a m p l i f i e rc i r c u i t f i l t e rc i r c u i ta n dt h e p h a s e l o c k e dl o o pc i r c u i ta r ea n a l y z e da n dd e s i g n e di nd e t a i l t h es i n g l e c h i po f m s p 4 3 0i su s e di nt h i ss y s t e mt op r o c e s st h es i g n a la n dd e t e c tt h ef l u o r e s c e n c e l i f e t i m e ，c a l c u l a t et h et e m p e r a t u r ea n dd i s p l a yt h et e m p e r a t u r e i nt h i sp a p e r , t h ea b s o r bs p e c t r u mo ft h el e di st e s t e d t h ee r r o ro ft h e s y s t e mi sa n a l y z e d t h ee x p e r i m e n to ft h er e l a t i o no ft h et e m p e r a t u r ea n dt h e l i f e t i m eo ft h er u b yc r y s t a li sc o n d u c t e d ，a n dt h eh i 曲a c c u r a c ya n dr e s o l u t i o n a r e0 b t a i n e d k e y w o r d so p t i c a l f i b e r s e n s o r ；t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ；f l u o r e s c e n c e l i f e t i m e ；w e a ks i g n a ld e t e c t i o n ；p h a s e l o c k e dl o o p i i i 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文荧光寿命光纤测温系统 及其信号处理的研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期 间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外 不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由 本人承担。 作者签字智k - 陶啦 日期：洲年f 月毕日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 荧光寿命光纤测温系统及其信号处理的研究系本人在燕山大学攻 读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归 燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。 本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人 授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布 论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密日 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：砑_ ) k _ 硇嘞日期：土肿6 年f 1 月华日 导师签名：二互乒l 习 日期：加吗年f f 月丑 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 光纤温度传感器的发展概况 在测量科学和工业过程控制中，温度是最重要的被测参数之。温度 测量在现代生产生活中有着举足轻重的作用。现有用于工业过程、实验室 或特殊工业环境的温度测量仪种类繁多【l 】，但是，为了满足工业生产、科 学研究与开发和生物学等领域对温度测量设备日益增长的需求，研究人员 不断的对温度测试技术进行革新和研究开发。其中许多应用领域面临的特 殊环境会对温度测量造成一些实际的困难，如被测目标可能极端有害，也 可能是运动的，或接近被测目标十分困难，甚至探头和被测目标无法接触， 或者存在电磁噪声的干扰等等。在寻求温度传感器的其它替代手段的所有 研究活动中，基于光导纤维的测温学是极为活跃的研究与开发领域之一 2 1 。 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，安全可靠； ( 3 ) 传感器探头可以做的很小，其直径不会比光纤本身更大，小的体积 意味着小的热质量，因此光纤传感器的响应速度非常快； ( 4 ) 由于信号载体为光，频率在4 1 0 “6 1 0 “h z 之间，信息容量大； ( 5 ) 光纤的小尺寸和它的电学、化学和热学的不活泼性允许它长期地置 于复杂的不易到达的地方。利用辐射原理可以进行非接触测量和遥感温度 测量，对于运动物体有很好的用处。 ( 6 ) 相似或不同的传感器能够级联实现分布式测量；并且能与计算机连 接，实现信怠存储和数据交换，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。自从1 9 7 0 年美国第一次成功地研制传输 燕山大学工学硕士学位论文 损耗为2 0d b k m 的石英玻璃光导纤维以来【3 1 ，光纤技术在光纤传感等领域 己得到非常成功的应用。光纤温度传感器一般分为两类：一类是利用光纤 本身具有的某种敏感功能而使光纤起到温度测量作用，属于功能型；另一 类是光纤仅仅起传输光波作用，测量时必须在光纤端面加装其它感温元件， 属于传输型。 由于光纤温度传感器具有在高温、化学腐蚀性强、电磁干扰严重的恶 劣环境中应用等优点，7 0 年代以来，美国、1 3 本、西德等国相继研制各种 光纤温度传感器。尤其是8 0 年代以来，这些国家每年都有光纤温度传感器 的专利公开，国外光纤温度传感器已走出实验室，进入商品市场；中国专 利局每年也都有温度传感器的专利公开。 光纤温度传感技术领域现今面临的课题是从改善光纤、光源、检测电 路和制作工艺等方面入手，进一步提高传感器的精度、可靠性并降低成本。 今后的发展方向是研制和开发满足特殊测温要求的温度传感器，并将光纤 技术与微处理机技术相结合，实现数字化、集成化和自动化的光纤温度传 感器。 1 2 荧光光纤温度传感器的研究现状 1 2 1 荧光光纤温度传感器的分类 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。根据对荧 光信号处理方式的不同可将荧光光纤温度传感器分为荧光强度型、荧光强 度比型和荧光寿命型三种。 ( 1 ) 荧光强度型 荧光强度技术是基于监测荧光材料的荧光发射强度，单纯的强度测量 会受很多因素的影响，通常采用参考通道来消除由于幅值的不稳定造成的 误差。荧光发射在波长上被分为两个区：一个给出温度变化量，另一个提 供对温度波动不敏感的参考信号，用以减小荧光发射时输入激励强度波动 的影响。此方法消除了光学连接的扰动引起的误差，诸如通过光纤和光纤 连接器搭配的损失，以及正常使用中l e d 的输出变化等。但是，由于单纯 2 第1 章绪论 的强度测量的误差较大，出现了荧光强度比型测温技术。 ( 2 ) 荧光强度比型 其工作原理是依赖于激发态离子的两个相邻的激发态能级的相对密 度，两个激发态能级的密度是依赖于温度的，符合玻尔兹曼分布。从这些 能级到一个共同的较低能级的辐射衰落在荧光光谱上产生两个相邻的谱 带。通过适当的滤波可以测量每个谱带的强度，碍到的强度比值是湿度的 单一函数。该方法的优点是不受激励光源的强度的影响，只需简单的数据 分析模型来解释，对光纤弯曲损失不敏感。 ( 3 ) 荧光寿命型 敏感材料在受光照射后，敏感材料中的电子吸收光子从低能级跃迁到 激发态高能级，从高能级返回到低能级的辐射跃迁中发出荧光，激励光消 除之后的持续荧光发射依赖于激发态的寿命。该发射通常以指数形式的方 式衰落，指数衰落的时间常数可以用于测量激发态的寿命，该寿命称为荧 光寿命或荧光衰落时间。荧光寿命与温度有对应的函数关系。 1 2 2 荧光光纤温度传感器的发展现状 荧光光纤温度传感技术是将荧光分析技术和光纤技术相结合，从而使 得传感器更为灵巧，适应更多的应用场合。 1 2 2 1 荧光强度型温度传感器发展现状国外发达国家对荧光光纤温度 传感技术的研究起步较早，早期的系统大多数是基于荧光强度的温度传感 技术。 1 9 8 2 年，报道了一个早期的商业化的系统l u x t r o n 1 0 0 0 型1 4 1 ，它使用 镧激发的铕和氧硫化钆作为敏感材料，产生的荧光由三价铕离子的不同激 发态产生的峰线组成。辐射谱线的相对强度随温度的变化而变化。系统可 以从测量来自于不同激发态的两条谱线的强度比来得到温度。系统采用传 统的光源，光学系统十分复杂。 1 9 8 3 年，瑞典的自动化和能源系统公司报道了a s e a 模型1 0 1 0 系统口j ， 它的传感器是夹在砷铝镓中间的砷化镓晶体，传感器通过砷化镓l e d 的辐 射在它的吸收带边缘产生荧光，随着传感器温度的升高，它的辐射波长加 3 燕山大学工学硕士学位论文 宽，转移到更长的波长。荧光的一部分通过两个相邻的带通光学滤波器传 输，每一个通带的强度被测量，它们的比值与温度相关。由于使用几个光 学滤波器和复杂的电子电路，该系统十分昂贵。 1 9 8 7 年，k t v g r a t t a n 等给出了一种改进方案【6 1 ，敏感材料为红宝石 晶体，红宝石产生的荧光辐射通过电子和光学的组合在波长上被分离，一 个波长给出温度变化的数量，另一个给出自参考，用于补偿由于入射光强 度的变化所引起的误差。 以上这些强度型温度传感器必须有参考通道来检测另一波长的荧光强 度，用于分离其它非热源引起的温度的变化，如光纤的弯曲、光源和探测 器的退化等，所以它们都有很大的局限性【7 t 鄹，如光学系统复杂，成本过高 等。 1 2 2 2 荧光强度比型温度传感器发展现状gwb a x t e r 研究小组用掺杂 稀土离子的光纤作为温度敏感单元，采用荧光强度比技术对信号进行处理。 1 9 9 4 年，e m a u r i c e 等研究了掺杂到硅光纤中的铒的两个能级4 s 3 ，2 和2 日2 间的热能化 9 1 。1 9 9 5 年，他们又报道了一种采用掺杂铒的光纤中的绿荧光 强度比技术实现宽动态范围的点温传感烈1 0 1 ，强度比的灵敏度为o 0 1 3 k ， 温度范围为室温到8 7 3k 。1 9 9 7 年，e m a u r i c e 等研究了镱掺杂的硅光纤中 的荧光强度比技术1 1 1 】，设计了采用自参考技术的点温传感器，该传感器是 基于镱掺杂的硅光纤中2 蟛：和2 聪：斯塔克亚能级的荧光强度比技术。1 9 9 9 年该研究小组研究了采用荧光强度比技术的钕掺杂光纤温度传感器( 1 “，温 度范围为3 7 3 7 7 3k 。 2 0 0 0 年，s ww a d e 等研究了使用荧光强度比技术的不受光纤应力影 响的温度测量【1 3 l ，在镱掺杂的光纤中应力的敏感性为( 2 3 ) 1 0 4 吲h ，意 味着温度到应力交叉敏感性为( 2 3 ) 1 0 4k i t 。2 0 0 1 年，s w w a d e 又报 道了对于n d 3 + 和y b ”掺杂的硅光纤中应力对采用荧光强度比技术的温度测 量的影响【1 4 1 ，测量了用于温度的掺杂光纤在温度近似2 8 3k 到4 1 3k 间， 应力在5 0 岬到2 1 0 0 嶂间，结论是应力一温度交叉敏感性对于荧光强度比 技术的影响很小，1 0 0 0 雌引起的温度误差小于0 4k 。 2 0 0 2 年，j c a s t r e l l o n - u r i b e 研究小组报道了铒掺杂硅光纤用于遥感温 4 第1 章绪论 度测量，温度范围为2 9 9 - 3 3 3k 。采用能级2 h ，：和4 墨，的荧光强度比， 使用光纤连接，其测量响应为o 3n w k ，温度分辨率优于o 0 6k ，灵敏度 为0 0 6 k 。2 0 0 3 年，该研究小组将强度比概念扩展为功率比技术【1 6 1 ，文中 详细研究了两个能级的不同谱带辐射功率。发现5 2 7h i l l 到5 3 7a m 对应 2 日，的跃迁，5 4 5n m 到5 5 51 1 1 1 1 对应4 墨2 ，在温度范围2 9 4 - - - 3 6 9k 内对温 度的变化高度敏感，传感器的灵敏度近似为0 6 k 。同年又在另一篇文章 中报道了具有增强灵敏度【l7 1 ，高信噪比铒掺杂光纤温度传感器，采用 5 2 0 - 5 3 0h i l l 和5 5 0 5 6 0l l n l 谱带的功率比，温度范围为室温到4 7 3k ，灵敏 度为0 0 2 l ( 。 1 2 2 3 荧光寿命型温度传感器发展现状基于荧光寿命的光纤荧光温度 传感器也是一种广泛采用的技术。 1 9 8 4 年，t h b o s s e l m a n n 报告了一种基于荧光寿命的温度传感器1 1 8 1 ， 其探头为掺杂铬的晶体l u ( c r x a l l - d 3 ( b 0 3 ) 4 ，c r x 掺杂浓度为0 0 1 ，直径 近似为1 5m r n ，粘合到芯径为6 0 0u m 的p c s 光纤上，该晶体使用银涂层， 通过多次反射放大激励，使得更好地利用荧光。连续测量的标准偏差为o 0 4 k ，温度范围为2 7 3 3 4 3k 。1 9 8 6 年a r e u l e 和j s c h r f d e r 给出优化的信号 处理方法【”】。 1 9 9 1 年，k t vg r a t t a n 等用红宝石作为敏感材料【2 0 1 ，设计了高温的 传感器探头，并给出了制作过程，传感器的测量温度可达7 7 3k 以上。为 了达到更高的温度，1 9 9 1 年，z y z h a n g 等采用另一种敏感材料亚历山大 晶体( b e a l 2 0 4 ：c r s + ) 【2 1 1 ，一个长方体形状( 2 2 xlm m ) 的合成晶体亚历山大 放到两个硅玻璃光纤端部的陶瓷套里，入射光纤的芯径为0 4m m ，接收光 纤的芯径为1 0n l l l l 。测量的温度从室温到9 7 3k 以上。1 9 9 8 年，z yz h a n g 等又进一步研究了高温光纤传感器探头的特性 2 2 1 ，给出了一种新的探头加 工方式，可以最高温度达到1 2 7 3k 。 1 9 9 6 年。y l h u 等研究了低温区( 7 7k ) 基于红宝石的光纤温度传感 器的探头的特性【2 3 】，给出了两种不同尺寸的探头的对比实验结果。一种较 大尺寸的( o 5 0 5 2m m ) ，光纤芯径为0 41 i 1 1 1 1 ，一种是较小尺寸的( o 3 0 3 o 0 5m m ) ，光纤芯径为0 1m m ，都用金属套保护。结果表明较大尺寸 燕山大学工学硕士学位论文 的探头的荧光寿命的衰落时间长于较小尺寸的探头的荧光寿命的衰落时 间，原因是较大尺寸的红宝石样品存在荧光的重新吸收和重新激发，导致 荧光的重新分布，衰落时间自然加长。 1 9 9 9 年，华南理工大学提出了一种红宝石光纤温度传感器阱】。该光纤 温度传感器探头采用具有稳定的物理和化学性能、价格便宜的红宝石晶体 作为探头材料。研究结果表明，该光纤传感器具有性能稳定、成本低的特 点，特别适合于对大型机电设备内部温度以及各种加热炉等的温度测量。 郑州大学提出了荧光光纤传感器的表面非接触测量【2 5 j ，描述了强度调 制型荧光光纤温度传感器具有其他光纤温度传感器所不具有的优点。对原 有的传感器的传感部分做了改进，系统采用y 2 0 3 ：e u 晶体作为探头材料， 使之能用于对运动物体小面积的非接触性温度的测量。 2 0 0 0 年，yo b a r m e n k o v 等报道了一种基于c d s e 纳米晶体掺杂的磷 光玻璃的温度传感器【2 6 i ，这种玻璃展示了在低于玻璃热处理温度( 2 3 ，如红宝石( a 1 2 0 3 ：c p + ) 和亚历山大晶体： e 0 ( 红宝石2 3 5 0c m “亚历山大晶体约8 0 0c m l l ，c ，+ 离子辐射由锐利的 r 线支配( 2 e 一，跃迁) 。不过与低强度晶体场( 如l i s a f ( l i s r a l f 6 ) 相比) ， d q b 2 3 情况下，在很宽的温度区( 对于红宝 石3 0 0 - - 6 0 0k ，对于亚历山大晶体1 5 0 7 0 0k ) ，温度依赖主要是由2 e 和4 五 间热激发重新占据决定。在d q b “2 3 情况下，2 e 态对温度依赖作用很 小，主要由非辐射过程4 瓦专么的跃迁决定，或者所谓的荧光温度淬灭。 在低晶体场强中，最低的激发态是4 正，根据玻尔兹曼原理，激发的 c p + 离子较少占据2 e 态，而且，由于2 e - ，跃迁是由宇称和自旋双重禁止 的，这些跃迁弱于4 乃专4 4 跃迁一到两个数量级。因此它们对荧光寿命的影 响可以忽略，荧光寿命主要由材料中的4 l 寸4 4 跃迁的辐射和非辐射过程决 定。荧光寿命对温度的依赖和荧光强度对温度的依赖具有相似的轮廓。 具有一个激发态的单一位形坐标模型可以定性或定量地描述这种温度 依赖，这对于许多测温应用是必要的，如图2 2 所示。 涉及到的激发态和基态分别是4 兀和4 4 。激发态c ，+ 离子的4 乃j 跃 迁通过这两个过程产生。一个是开始于，的辐射跃迁，即最低的激发态能级 点。另一个是非辐射过程，即c p + 离子的热淬灭，c p + 离子热上升到激发态 和基态交叉的能级q ，然后通过非辐射弛豫迅速失去能量到达基态的底部。 这两个过程连续地彼此竞争。温度越高，更多的激发离子将上升到交叉能 级q ，非辐射过程将更强。通常非辐射跃迁更快，结果随温度升高4 l _ 4 a ， 跃迁率增加，荧光寿命随温度增加而减小。根据这个模型，激发态c 一离 子的跃迂率1 f 可以由下式给出 1 2 第2 章荧光光纤传感器的测温机理及特性分析 l r = 1 f 。+ ( 1 r 4 ) p a e q ”1 f 2 孙 式中f 为观察到的荧光寿命，l ，f ，为本征的激发态辐射率，1 r 。为热淬灭率， a e q 为提升激发态底部的离子到能级交叉q 需要的热激发能量，k 为波尔 兹曼常数，z 为绝对温度，因此p 一曲“7 表示激发态离子被提升到交叉能级q 对应能量的可能性。在假定激发光源的输出功率和光谱特性，以及荧光样 品在对应光谱的吸收特性对于所考虑的温度区是常数的条件下，观测到的 荧光强度，可以表示为 ，= 1 - f i e 一6 如7 ” 式中厶是常数，由激励模式确定：= f o 。 为了获得荧光寿命的直接表达式，式( 2 _ 4 ) 可以写成如下形式 弘再扣 f 1 + 庇一“9 “。 ( 2 4 ) 通过式( 2 5 ) 可以看出荧光强度和寿命对温度的依赖在数学上是相似的。 卿 勰 ( 2 5 ) r ( 位彤坐标) 图2 - 2 低晶体场强中c r 3 + 荧光单一位形坐标模型，r ：位形坐标 f i g 2 2t i n g l ec o n f i g u r a t i o n a lc o o r d i n a t em o d ef o rc ，f l u o r e s c e n c ei nl o wf i e l dc r y s t a l s r ：c o n f i g u r a t i o n a lc o o r d i n a t e 有三种晶体材料l i s a f 、l i b a f 、l i c a f 是低晶体场强度，它们的晶 体场强度d 。愿为2 0 。l i s a f 、l i b a f 、l i c a f 中c ，离子荧光寿命的温度 1 3 燕山大学工学硕士学位论文 依赖特性不同，这种特性使得低场强晶体材料特别适合在一个相对窄的温 区上高温度分辨率场合下的测温应用，c r ：l i s a f 荧光寿命的温度依赖特别 适合生物医学领域的温度测量。c r ：l i b a f 、c r ：l i c a f 荧光寿命的温度依赖 分别适合于低温区1 0 0 2 5 0k 和更高的温度区4 7 0 - 4 5 5 0k 。 对于温度传感器检出低限乙。可以由荧光寿命对温度变化的灵敏度确 定。例如，乙。可以选择这样的温度，这时的荧光寿命f 减4 , n 本征辐射寿 命的9 5 ，因为f 在这个点对温度变化不敏感，对测温应用没有价值。由 于温度的升高使荧光强度减小，结果降低了信号噪声比，温度传感器的性 能预计在更高的温度时降低。因此有效测量范围的上限，即荧光强度减小 到最大荧光值的1 。而且荧光材料可以经受住的最高温度在确定上限温度 时也应该考虑。由于发生永久的热分解，通常掺杂的温度晶体材料比掺杂 的玻璃材料有更高的上限温度。 在高强度晶体场( v q b 2 3 ) q h ，最低的c ，离子激发态是2 e 。在低 温时，c ，离子的荧光由2 e 呻跃迁主宰，结果观察到的是长荧光寿命， 例如对于亚历山大晶体在温度为1 0 0k 时约为1 5m s ，对于红宝石晶体在 3 0 0k 时约为3m s 。随着温度的升高，更高百分比激发的c ，离子将占据短 寿命的4 r ，结果将发生更多的4 l 卜2 4 跃迁，导致荧光寿命的减小。因此， 在较低温度时，c r 3 + 离子荧光寿命的温度依赖由激发态2 e 和4 r ，间热激发的 重新占据所支配。在更高的温度时，出现更高能级的非辐射跃迁，这将加 速荧光寿命的衰落。两级模型可以用于描述在低温区激发态2 e 和4 r ，问热 激发的重新占据所引起的荧光寿命的温度依赖。该模型用于考虑低温区激 发态2 占和4 l 问热激发的重新占据和非辐射过程，而带有两个激发态的单 位形坐标模型可以用于描述整个温度区的温度依赖。 在低温区，激发的c r 3 + 离子回到基态的非辐射跃迁可以忽略，高晶体 场c ，离子荧光的温度依赖可以充分地由两级模型描述，如图2 3 所示。 对于亚历山大晶体( b e a l 2 0 4 ：c r 3 + ) ，在温度升高时，由于2 e 长的荧光寿 命，大多数辐射跃迁将开始于4 r ，。2 e 用做激发的c ，的存储，因此在这 里2 e 叫做“存储能级”。假定4 丁，和2 e 处于准热动态平衡，可以由红宝石 和亚历山大晶体来验证，它们的4 五斗2 e 跃迁的非辐射时间的上限分别为红 1 4 苎：至茎堂堂堑堡壁墨塑望! 塑垫墨墨笙丝坌堑 宝石7 p s ，亚历山大晶