基于荧光光谱的温度采集系统设计

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1、为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。基于荧光光谱的温度采集系统设计　　【摘要】本文基于光纤荧光的测温机理介绍了测量系统的总体结构及荧光信号检测电路，利用该系统通过检测荧光物质寿命实现了温度测量。本系统能够对被测对象进行精准度较高的温度检测。　　【关键词】荧光光纤;荧光信号检测;温度测量　　1.引言　　温度是一个重要的物理量，在生产生活和科研领域扮演着十分重要的角色。测温方法有很多，应用最多的是

2、根据某些物理化学测量值与温度的函数关系间接测量得到温度[1]。　　科技的发展使工业生产和某些领域需要高精度的温度条件，这要求测温系统响应快，精度高，稳定性强。利用荧光、光纤等材料的固有特性配合光电探测技术实现测温简单有效。光纤荧光测温系统不仅能实现物体表面温度的测量，还能测量物体内部的温度，或者监测某特定区域的温度[2]。　　2.测温原理　　荧光材料受到一定能量的光激发使荧光材料发出荧光，当激励光停止发射时，荧光的发光持续时间取决于激发态寿命。在某特定温度范围内，当荧光物质受激产生荧光，其荧光衰减时间和荧光强度会表现出一定的温度相关

3、性，荧光测温的机理就表现在温度相关性上[3]。为了充分发挥“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备的作用，我们不仅把资源运用于课堂教学，还利用系统的特色栏目开展课外活动，对学生进行安全教育、健康教育、反邪教教育等丰富学生的课余文化生活。为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。　　在荧光物质受激产生荧光的过程中，将其中某个受温度影响的参数调制成温度的单值函数，就可以利用这种关系测量温度。荧光物质被能量高

4、的光照射激发出的荧光强度会随时间成指数规律衰减[3-4]：　　　　式中，I0是t=0s时的荧光强度;τ为荧光寿命，它是荧光材料的特性参数，荧光衰减曲线如图1所示。　　图1荧光衰减曲线　　荧光寿命与温度的关系[4]：　　　　式中，Rs、RT、k、△E为常数，T为热力学温度。　　由此可见，荧光寿命τ是温度的单值函数，随着温度的升高，荧光寿命减小，测得荧光寿命就可以得到温度的值，因此，利用该方法测量温度只取决于荧光寿命τ，与其他参数没有关系。用这种方法测量荧光寿命从而获得温度值。　　3.测温系统总体结构为了充分发挥“教学点数字教育资源全覆

5、盖”项目设备的作用，我们不仅把资源运用于课堂教学，还利用系统的特色栏目开展课外活动，对学生进行安全教育、健康教育、反邪教教育等丰富学生的课余文化生活。为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。　　光纤荧光光谱测温实验装置如图2所示，系统采用的荧光材料为Cr3+：YAG晶体，把Cr3+离子掺入YAG制成温度传感探头，一端置于测温环境中，另一端连接石英光纤。使用蓝色发光二极管作激励光源。该系统主要包括五

6、部分，首先激励光源在压控振荡器调制下输出，激励光由透镜耦合进入光纤，滤光片除去杂散光后经光纤耦合器成多路光纤激发荧光物质，荧光信号进入接收光纤，经光纤耦合器和滤光片后被光电探测器探测，荧光信号被放大和滤波后进入双参考信号锁相环检测电路，输出频率被输入到单片机系统中，单片机计算荧光寿命，进而得到目标温度值，最后通过显示装置显示所测得的温度值。　　4.荧光信号检测电路设计　　系统光源驱动电路　　本系统采用周期性的驱动电路来驱动激励光，以产生周期性变化的荧光，然后使用采集电路检测荧光寿命。光源经调制后会按一定规律激励荧光物质产生荧光，其相

7、位比激励光源滞后一个相位。图为LED光源的驱动电路，电路结构简单，使用的器件性能稳定，功耗较低，可以满足长时间驱动LED光源的要求。　　图2光纤荧光光谱测温系统　　图系统光源驱动电路　　光电探测电路　　激发光源照射荧光材料发出的荧光必须被实时、准确的检测出来，所以光电检测器件需要响应快，稳定性好，灵敏度高。　　I-U转换电路为了充分发挥“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备的作用，我们不仅把资源运用于课堂教学，还利用系统的特色栏目开展课外活动，对学生进行安全教育、健康教育、反邪教教育等丰富学生的课余文化生活。为了确保“教学点数字教育资

8、源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。　　系统探测到的荧光信号很微弱，需要高增益的放大器将光电探测器探测到的微弱光电流放