低成本的光纤荧光温度传感器

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1、技术综述TechnologyReview注：国家自然科学基金资助项目（编号：61177076）中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（编号：2012-Ia-020）摘要：文章从荧光测温技术类型、温敏荧光物质的类型、探头结构和荧光信号的检测四个方面，系统地讨论了光纤荧光温度传感器的沿革与低成本发展方向、关键技术、难点；分析提高温度测量精度的典型优化方案和各自的优缺点；明确当前光纤荧光温度传感器存在的问题、应用前景与新的研究方向。关键词：温度传感器；光纤；荧光；寿命；中图分类号：TP212.1文献标识码：A文章编号：100

2、6-883X（2012）11-0012-08收稿日期：2012年9月16日低成本的光纤荧光温度传感器徐钰山黎敏武汉理工大学物理系，湖北武汉430070[3]一、引言量精度上停滞不前。光纤测温技术是20世纪70年代兴起的一门温度随着研究推进，敏感单元直径从毫米量级向微米测量技术，相比于传统的电子式温度传感器，具有抗量级拓展，光纤探头制式从单光纤向光纤束进化。如电磁干扰亦不产生电磁干扰、耐高温、抗腐蚀等独特何进一步提高精度、可靠性，摆脱进口依赖、降低成优势，适合各种易燃易爆以及体积受限的恶劣环境，本，研制和开发满足特殊测温

3、要求的荧光温度传感器，在工业生产中有着极为广泛的应用前景。实现信号采集的数字化、集成化和自动化是今后的总光纤荧光传感技术是基于材料的荧光效应和光纤体发展方向。传输的光学测量技术。伴随着数字化、在线测温要求本文针对荧光温度传感器的三大测温类型，细化的不断提高，半导体吸收型、F-P干涉型、光纤光栅传感系统整体结构并给出低成本选择的依据；着重从（FBG）、分布式等新型光纤温度传感器不断推陈出新。精度、测温范围和系统稳定性等方面分析检测算法的光纤荧光温度传感器兼备光纤技术和荧光测温技术的优劣；最后总结了发展现状和方向，存在的问

4、题及新优点，近年来在工业工程监控领域引起广泛关注。领域的应用前景。光纤荧光传感技术自研究始就面临着光纤、光源、检测电路和制作工艺等方面问题。例如，国防科技大二、荧光温度传感器测温原理学对掺铒光纤荧光光源的研究初步解决了光源功率的荧光温度传感器的核心是荧光材料的选择。荧光[1]需求；浙江大学的先期研究侧重荧光材料性能，证材料在激励光照射下辐射出波长更长的可见光，即荧[2][4]实了测温可行性，但应用性研究少；湖南大学基于光；激励光消失后，荧光淬灭通常呈指数衰减，指荧光寿命的研究受限于数据采速和信噪比低，而在测数衰减的时间

5、称为荧光寿命。荧光峰值强度和荧光寿传感器世界2012.1112www.sensorworld.com.cnTechnologyReview技术综述命都与温度T相关，检测荧光强度等信息可计算出温也被称为是粒子处于激发态的荧光寿命τ。度。光纤荧光温度传感系统结构主要由温敏荧光物质荧光余辉强度与时间的关系式为：材料、荧光探头，激励光源、耦合器件和信号采集检t-测单元组成。(1)I(t)=AI(T)et(T)p作为测温的核心部分是荧光寿命信号的判定和算其中：A—常系数；法验证。理论上荧光衰减曲线为单调指数衰减函数，即：t—余辉

6、衰减时间；I(t)=I0exp(-t/τ)（4）Ip(t)—荧光峰值强度，是温度T的函数；其中，I0—荧光衰减的初始强度。τ(T)—荧光余辉衰减时间，即荧光寿命，也是温度忽略信号本底噪声和随机白噪声等干扰，从两点T的函数。法，积分法、数据拟合法计算原理出发，采用合理的[5]典型的荧光特性曲线如图1所示。数学模型求解荧光寿命。I锁相检测的优点在于选定合适的时延比后，调制周期或频率正比于荧光寿命且比例系数可求，通过检激发脉冲测稳定输出的调制信号的周期或频率直接求解荧光寿命。tI荧光余辉三、光纤荧光温度传感器主要测温类型T2

7、荧光光纤温度传感器的分类根据其工作原理，可Ip(T)(T2

8、E—常量；低工作机理利用物质本身物理灵敏度较高，但对T—荧光材料温度；传感型性质随温度变化特应力较敏感，稳定k—波尔兹曼常量。性性较差自发跃迁过程完成后，通常认为荧光强度会衰减技术上易实现，但荧光通过测量荧光的强-1受光源波动影响到激励光停止时荧光强度的e倍，也就是粒子处于激强度型度来获得温度值大，误差比较大发态的荧光寿命t=1/