浅议荧光寿命光纤温度传感器

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1、浅议荧光寿命光纤温度传感器摘要：荧光寿命光纤温度传感器具有许多优点，是光纤温度传感器领域的研究热点，国内外对此做了大量研究。针对当前光纤温度传感器研究现状，980nm光泵浦上转换荧光寿命式光纤温度传感器的研究具有一定的创新性和实用价值。关键词：温度；荧光寿命；光纤温度传感器一、课题国内外研究现状及研究主要成果温度，作为最基本的物理量之一，在工业生产、生活及科学研究等各方面都有着重要作用。热力学、医学、化学、冶金、自动化控制等学科中所涉及的众多问题都与温度有密切关系。精确的测定温度已经成为各个学科的共同需要与追求。荧光光纤温度传感器因为其可

2、靠性高、绝缘性能好、抗电磁干扰强、重复性好、响应速度快等诸多优点，受到人们的广泛关注。稀土发光荧光寿命与温度的关系是荧光光纤温度传感器的基本测温依据，只要测定出稀土发光荧光寿命与温度的关系，就能制作出以相应荧光材料作为温度敏感探头的荧光光纤温度传感器。荧光光纤温度传感器一直是光纤传感器的研究热点。7原理：荧光材料（如掺杂稀土离子的晶体）在受到激励光的照射后，其内部原子的外层电子吸收了光子，从基态低能级跃迁到激发态高能级，而当电子从高能级跃迁回到低能级时，将会辐射出荧光。激励光消失之后，荧光材料将持续一段时间发射荧光，通常荧光强度以指数的形

3、式衰减，其衰减曲线如图1-1所示。图1-1荧光衰减曲线如图1-1所示，荧光寿命是荧光信号从I0衰减为I0/e时的时间，荧光寿命与温度存在确定的函数关系。只要测得荧光寿命与温度的关系曲线，就能通过测量荧光寿命得出对应的温度。荧光测温的工作机理是建立在光致发光这一基本物理现象上。所谓光致发光是一种光激发导致光发射现象。就是当材料由于受紫外、可见光或红外区的光激发所产生的发光现象。因为出射的荧光参数与温度有一一对应关系，通过检测其荧光强度或荧光寿命来得到所需的温度的。强度型荧光光纤传感器受光纤的微弯曲、耦合、散射、背反射影响，造成强度扰动，很难

4、达到准确度。荧光寿命型传感器可以避免上述缺点，因此是采用的主要模式。荧光寿命的测量是测温系统的关键。国外对于稀土发光荧光寿命与温度关系的研究起步较早，最早在1984年Th.Bosselmann等人就研究了掺杂铬的Lu（Crx7All-x）3（BO3）4晶体的荧光寿命与温度的关系，并以此为基础设计出了荧光光纤温度传感器。在过去的近三十年时间里，国外对于稀土发光荧光寿命与温度关系的研究一直保持着较高的热度。各大研究机构、科技公司争相报道了自己的研究成果及相应产品。美国密西西比州立大学用一种商用的环氧胶做温度指示f含有多环芳烃化合物：PAHs。

5、PAHs在用紫外光激发时发荧光。荧光的强度随环氧胶周围温度的升高而减小.该传感器可监测20℃～100℃范围内的温度。日本东洋大学根据Tb：Si0，和Tb：YAG的光致发光（PL）谱与温度有关，将其制成光纤温度传感器。在300～1200K的温度下，Tb：Si0，的PL峰值在540nm时的光强随温度的升高单调减小。Tb：YAG晶体的PL谱的形状随温度变化。韩国汉城大学发现l0cm长的Ybn、E一双掺杂光纤在915nm处，两荧光强度的比值在20℃～300℃间与温度成指数关系。这种双掺杂系统对于测量苛刻环境的温度非常有用。从整体上讲，国外主要的研

6、究方向是高精度、高灵敏度、高速度及低成本等。7国内对于稀土发光荧光寿命与温度关系的研究相对落后。由于其所涉及的学科较多、难度较大，参与研究的人群主要集中在几所知名大学及研究机构。目前少有成熟的产品发布。目前国内有代表性的荧光光纤温度传感器有：华南理工大学提出的一种红宝石光纤温度传感器。福州大学提出激励光中心波长为395nm、荧光主峰中心波长为620nm、荧光寿命为毫秒级别的Eu化合物作为本设计的荧光材料的光纤温度传感器。清华大学电子工程系利用半导体GaAs材料对光的吸收随温度变化的原理，研制出测温范围：0℃～150℃，分辨率：0.5℃的光

7、纤温度传感器。燕山大学设计了一种利用荧光波分和时分多路传输技术.通过检测红宝石晶体的荧光强度实现温度测量的系统，该系统的测温范围：30℃～160℃，分辨率：0.5℃。海南大学用激光加热基座法生长出端部掺Cr的蓝宝石荧光光纤传感头。该传感器的测温范围：20℃～450℃，分辨率：1℃。中北大学用一种镀有陶瓷薄膜的蓝宝石光纤作为传感器的瞬态高温测试系统，该系统的测温范围：1200℃～2000℃，分辨率：1℃。目前，国内荧光光纤温度传感器的市场主要被国外产品占领。国内在这一领域的研究还比较薄弱――对荧光寿命与温度关系的研究大概始于二十世纪八十年代

8、末期，而且，主要集中在国内的几所高校。2011年福州大学物信学院林燕金在导7师黄衍堂教授指导下，研究了稀土发荧光寿命与温度关系。该研究通过多次测定100K到400K的温度范围内稀土荧光粉样品的