基于寬帶熒光光譜的強度比測溫方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種溫度的光學測量方法，具體為一種基于寬帶熒光光譜的強度比測溫方法。
【背景技術】
[0002]熒光測溫是溫度傳感領域的一類新興技術。利用熒光材料的溫敏特性進行溫度傳感具有光測技術的典型優點，如抗電磁干擾、非接觸等。同時，熒光測溫系統的成本在各種溫度光測系統中相對較低。
[0003]常見的熒光強度比(FIR)測溫技術使用的敏感材料必須具備熱耦合的兩個輻射躍迀激發態能級，因此，敏感材料是特殊的線譜熒光材料，不涉及熒光光譜是帶狀光譜的材料。強度比測溫技術中，比色式黑體輻射測溫是基于連續的黑體輻射光譜，但在低溫測量時因為輻射強度小，精度很低。
[0004]本發明給出一種區別于常見的熒光強度比測溫技術、基于寬帶熒光光譜的雙波長強度比測溫方法。同一種熒光材料可提供一系列強度比溫度傳感方程，且與比色式黑體輻射測溫技術具有形式上的一致性，不需要改變傳感系統構造就可以方便地組合成熒光方法測低溫、黑體輻射技術測高溫的寬量程溫度傳感系統。此外本發明使用的熒光材料較常見，成本較低。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提出一種基于寬帶熒光光譜的強度比測溫方法，與傳統的分立譜線熒光強度比測溫技術有所區別，使得溫敏熒光材料的選擇范圍更大，與其它強度比型或比色式測溫方法的兼容性更好。
[0006]本發明的技術方案如下:一種基于寬帶熒光光譜的強度比測溫方法，包括給予合適的寬帶光譜熒光材料、選定有效的激發條件、在光譜譜帶范圍內選取合適的兩個波長，在一定溫度范圍內測量這兩個波長的發射強度，求取不同溫度下的強度比并擬合得到熒光強度比溫度傳感方程，測量未知溫度時將對應的熒光強度比輸入該溫度傳感方程即可；其特征在于方法步驟如下:
步驟一、選定熒光材料以及匹配的激發光源、分光元件、探測器件，組成熒光溫度傳感系統；
步驟二、從熒光材料的熒光光譜中選擇合適的兩個波長，記錄它們的熒光強度比，在一定溫度范圍內(例如室溫到450K)逐漸設置改變熒光材料的溫度，記錄所述兩個熒光強度的比值隨溫度的變化，擬合得到熒光強度比溫度傳感函數；
傳感函數不唯一，選取被監測的兩個波長不同，傳感函數也不同。依據靈敏度和擬合精度的要求，可以找出最優傳感方程并確定兩個被監測的波長。
[0007]步驟三、將該熒光材料置于未知溫度環境下，用步驟一中的激發光激發，記錄待測溫度下步驟二所述的熒光強度比，代入步驟二中的溫度傳感函數得到被測溫度。
[0008]本發明的實質是利用某些熒光光譜的譜型受溫度的影響。隨溫度的變化，熒光光譜譜帶發生移動，同時伴隨著譜帶帶寬的變化，這種情況下，熒光強度的分布發生改變，造成特定波長熒光的強度比例隨之而變，最終，熒光強度比數據和溫度的關系構成一個單調函數。
[0009]本發明中所使用的熒光材料具有寬的熒光譜帶。熒光材料的種類包括但不限于5d_4f躍迀稀土離子摻雜的無機材料、過渡金屬離子摻雜的寬帶發光材料、半導體復合發光材料、有機熒光材料等。
[0010]本發明的雙波長強度比溫度傳感方法，還可用于但不限于熒光激發光譜、吸收光譜、透射光譜等光譜的溫度傳感應用。
[0011]本發明的有益效果:本發明擴充了熒光強度比測溫方法的原理，新的方法適用的熒光材料發光效率普遍較高、更常見、成本更低廉；用于強度比監測的熒光波長有很大的選擇范圍，便于與其它強度比型溫度傳感方式(例如比色法黑體輻射測溫)聯用；溫度傳感方程形式上呈強度比與溫度的線性關系，比傳統的熒光強度比測溫技術的對數公式更簡潔。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發明典型的溫敏寬帶熒光光譜(以YAG:Ce3+熒光材料為例)，激發光使用中心波長為405nm的激光。圖中光譜強度已經歸一化。
[0013]圖2為本發明選定不同的波長λ，各自的強度Ι(λ)之比值隨溫度的變化。
【具體實施方式】
[0014]本發明的技術部分描述了一種從熒光材料帶狀光譜上選取兩個波長，利用它們的強度比測量溫度的方法。具體實施過程如下(以熒光材料YAG:Ce3+為例):
步驟一、熒光材料置于可控溫度環境，選擇中心波長405nm的激光作為激發光源，用一臺測量范圍在可見光波段、分辨率0.5nm的光纖光譜儀作為探測設備。
[0015]步驟二、在室溫到450k范圍內漸次設置改變熒光材料的環境溫度，記錄不同溫度下的一系列熒光發射光譜，如圖1所示。
[0016]選擇熒光譜峰值波長附近的一個波長(550nm)作為參考波長，另外選取與參考波長間隔10nm以上的其它16個波長位置，分別計算參考波長處的光強和另外16個波長處的光強的強度比例，得到16組強度比?溫度關系數據。
[0017]分別對這16組數據作最優線性擬合(如圖2所示)，得到16個傳感方程，擬合直線的斜率對應于溫度傳感靈敏度。靈敏度以及擬合精度大小可以作為挑選最優傳感方程的依據，或根據實際需要選擇其它兩個波長、檢測它們的熒光強度比并按上述方式擬合出傳感方程。
[0018]步驟三、置于未知溫度環境中的所述熒光材料，用同一波長的激發光激發該熒光材料，測量它的熒光光譜并計算步驟二中確定的兩個波長處熒光強度的強度比，代入對應的傳感方程中得到待測溫度值。熒光材料粉末即成為一個點溫度傳感器。
[0019]其它可以用于所述溫度傳感方式的典型寬帶熒光材料還包括但不限于:其它5d_4f躍迀的稀土離子(如Eu2+)摻雜熒光材料、過渡金屬摻雜熒光材料、半導體發光材料和有機發光材料等。
[0020]其它可以應用所述技術方案的光譜類型還包括但不限于:熒光激發光譜、吸收光譜、透射光譜等。
[0021]上述步驟一里面的光譜儀還可以用其它具有選色、探測能力的元件組合代替，例如用濾色片分離出需要監測強度的兩個波長、用兩個半導體光電管分別測量它們的光強，然后用功能電路記錄溫度傳感曲線和顯示實測溫度數據。
【主權項】
1.一種基于寬帶熒光光譜的強度比測溫方法，包括給予合適的寬帶光譜熒光材料、選定有效的激發條件、在光譜譜帶范圍內選取合適的兩個波長，在一定溫度范圍內測量這兩個波長的發射強度，求取不同溫度下的強度比并擬合得到熒光強度比溫度傳感方程，測量未知溫度時將對應的熒光強度比輸入該溫度傳感方程即可；其特征在于方法步驟如下: 步驟一、選定熒光材料以及匹配的激發光源、分光元件、探測器件，組成熒光溫度傳感系統； 步驟二、從熒光材料的熒光光譜中選擇合適的兩個波長，記錄它們的熒光強度比，在一定溫度范圍內逐漸設置改變熒光材料的溫度，記錄所述兩個熒光強度的比值隨溫度的變化，擬合得到熒光強度比溫度傳感函數；傳感函數不唯一，選取被監測的兩個波長不同，傳感函數也不同； 步驟三、將該熒光材料置于未知溫度環境下，用步驟一中的激發光激發，記錄待測溫度下步驟二所述的熒光強度比，代入步驟二中的溫度傳感函數得到被測溫度。2.根據權利要求1所述的一種基于寬帶熒光光譜的強度比測溫方法，其特征在于:所述焚光材料，包括但不限于5d-4f躍迀的稀土離子發光材料、過渡金屬發光材料、半導體復合發光材料、有機發光材料。3.根據權利要求1所述的一種基于寬帶熒光光譜的強度比測溫方法，其特征在于:還可用于但不限于熒光激發光譜、吸收光譜、透射光譜等光譜的溫度傳感應用。
【專利摘要】本發明涉及到一種基于寬帶熒光光譜的強度比測溫方法，主要是利用寬帶熒光發射譜譜帶上選取的雙波長光強度比隨溫度變化的現象。該方法用于溫度測量時，在特定寬帶熒光材料的發射光譜譜帶的波長范圍內選定兩個合適的波長，計算這兩個波長的熒光發射強度比，強度比數值與溫度值的函數關系即為傳感方程，未知溫度下的熒光強度比數值是傳感信號，輸入到傳感方程即得到待測溫度值。本發明給出了一種新的熒光強度比測溫方法，不再限于傳統的熒光強度比測溫技術使用有限的幾種稀土離子的分立譜線發光光譜，因此熒光強度比測溫敏感材料的可選范圍更廣，成本更低。
【IPC分類】G01K11/32
【公開號】CN105241575
【申請號】CN201510570466
【發明人】張巍巍, 王國耀, 高益慶, 何興道
【申請人】南昌航空大學
【公開日】2016年1月13日
【申請日】2015年9月10日