荧光光纤测温原理.doc

1 概述
传统的温度测量技术在各个领域的应用已很成熟，如热电偶、热敏电阻、光学高温计、半导体以及其它领域的温度传感器。它们的敏感特性主要是以电子信号作为传感媒介，即利用温度对电子信号的调制作用。而在特殊工况和环境下，如在易爆、易燃、高电压、强电磁场、具有腐蚀性气体、液体，以及要求快速响应、非接触等环境下，光纤温度测量技术具有独到的优越性。由于光纤本身的电磁绝缘性以及固有的宽频带等优点，使得光纤温度传感器突破了电子温度传感器的限制。同时由于其工作原理是利用温度对光信号的调制作用，传感或传输方式多采用石英光纤，传输的幅值信号损耗低，可远距离传输，使传感器的光电器件脱离测温现场，避开了恶劣的环境。在辐射测温中，光纤代替了常规测温仪的空间传输光路，使尘雾、水汽等干扰因素对测量结果影响很小。光纤质量小、截面小、可弯曲传输，因此可测量不可见的工作空间的温度，便于特殊工况下的安装使用。光纤由于温度测量的机理与结构形式多种多样，基本上可分为两大类：一类是传光型，它利用某种传感元件把光的强度、波长等与温度有关的信息作为测量信号，由光纤将信号传递到探测器；另一类是传感型，它以光纤本身为传感元件，将光的相位、波长、强度等为测量信号。光纤温度传感器机理及特点如表1所示。
表1 光纤温度传感器的机理和特点
测温机理
传感器的特点
荧光
激发的荧光与测量温度的相关性
光干涉
法布里—珀罗器件，薄膜干涉，白光干涉
光吸收
砷化镓等半导体吸收
热致光辐射
黑体腔，石英，红外光纤，光导棒
光散射
载有温度信息的光在光纤中形成的喇曼散射，瑞利散射
光纤传光型温度传感器通常使用电子式敏感器件，光纤仅为信号的传输通道；传感型光纤温度传感器利用其本身具有的物理参数随温度变化的特性检测温度，光纤本身为敏感元件，其温度灵敏度较高，但由于光纤对温度以外的干扰如振动、应力等的敏感性，使其工作的稳定性和精度受到影响。其中荧光衰减型、热辐射型光纤温度传感器已达到应用水平。
其中，荧光光纤测温技术可以实现不同工作情况，尤其是电磁干扰下的温度测量。荧光是辐射的去活化过程。荧光材料原子受到某一波长的辐射而激发时，辐射去活化，发出辐射。荧光是发射光，它涉及吸取和再发射2个过程，每个过程都是瞬间的，但在2个过程之间存在一时间间隔，它依赖于荧光去活化过程。
荧光光纤温度传感器不仅限于表面温度的定向测量，其探头可以插入固体物质中、浸入液体中或导入设备中，到达特定区域。荧光测温与其它测温方法相比具有诸多优点，如实现温度的绝对测量，测温精度不受被测体表面发射率的影响，在中低温范围内有很高的灵敏度和测温精度等。
2 荧光光纤测温原理
当发光材料受到某种波长的入射光照射，吸收光能后从基态进入激发态，并且立即退激发并发出比入射光的波长长的出射光（通常波长在可见光波段），而且一旦移除入射光，发光现象也随之立即消失，即出射光消失，具有这种性质的出射光就被称之为荧光。
2.1 荧光产生机理
由普朗克定理可知，当发光材料接收到无论哪种形式的入射光能量时，发光材料中的电子将发生能级跃迁现象，而在能级跃迁的过程中伴随着波长为λ的出射光。
其中
（1）
式中：——电子位于高能级时具有的能量；
——电子位于低能级时具有的能量；
——普朗克常数；
——出射光的频率；
——光在真空中的传播速度；
——出射光的波长。
实际情况中，我们观测到的并不是某一固定波长的出射光，而是波长处于某一波段的出射光，这主要是因为和总是分别位于两条能带之中。在入射光移除后，发光材料仍会维持一段时间的发光现象，若该段时间与电子完成能级跃迁的时间（≤10-6s)相等，则此出射光称之为荧光；若该段时间比电子完成能级跃迁的时间长很多（通常为10-3s~10s)，则此出射光称之为磷光。
荧光物质的发光通常遵守斯托克斯定律，即荧光物质只能受到高能量（）的光激发，发出低能量（）的光，换句话说，就是波长短的频率高的光激发出波长长的频率低的光（，）。荧光物质的发光机理是：按照分子原理，稀土掺杂的氧化物中含有高化合价的正离子，离子在高能射线（激光、紫外线等）照射下受到激发，从基态跃迁到激发态，而激发态不稳定，则离子再从激发态跃迁到较低能量级，此时离子放出福射能而使荧光物质发光，这种光就被称之为荧光。荧光通常位于可见光波段。
2.2 荧光寿命测温原理
在某一段温度范围内，无论何种荧光物质，它们的荧光寿命均表现出一定温度相关性，而荧光寿命测温原理正是建立在这种温度相关性上的。
当光照射荧光物质时，其内部电子获得能量从基态跃迁到激发态，从激发态返回到基态的放出辐射能而使荧光物质发出荧光，而在光被移除后的持续发射荧光的时间取决于激发态的寿命，该寿命就被称之为荧光寿命。荧光寿命具有特性：荧光寿命的长短由温度的高低决定。荧光寿命型温度传感器正是基于该特性的温度传感器。
某些稀土荧光材料受激励光照射并激发后，发射出可见的线状光谱，即荧光及其余辉。若荧光的某一参数受温度的调制，且它们的关系呈现出单调性，则可利用这种关系进行测温。线状光谱的强度受激励光源强度及荧光材料的温度影响，如果激励光源强度保持不变，线状光谱的强度为温度的单值函数，且随着时间的推移，通常情况下外界温度越低，线状光谱的强度就越强，余辉的衰减也就越慢。利用滤光片将激励光谱滤除后，测量荧光余辉发射光谱线的强度即可求解出温度大小。但该测量方法要求具有稳定的激励光源强度和信号通道，很难实现，故基本上未得到采用。除此之外，荧光余辉的衰变时间常数也是温度的单值函数。
根据半导体理论可知，余辉的衰落直至消失实际上是光的淬灭过程，温度的升高使得晶格振动的强度增强，而晶格振动强度的增强又使得参与吸收的分子数增多，最终导致光的淬灭过程缩短，故荧光物质的温度高低决定了光的淬灭过程的快慢，即决定了衰变时间常数的大小。图1为荧光特性曲线。

图1 荧光特性曲线
由图1可得荧光余辉的强度与实践的函数关系式为：
（2）
式中：——常系数；
——余辉衰减时间；
——停止激励时荧光峰值强度，为温度的函数；
——荧光余辉衰变时间常数，即荧光余辉寿命，也为温度的函数，与光强无关。一般越大，就越小，所以只要测得的值，就可求解出。图2为某一荧光物质的值与温度的函数关系曲线。

图2 某种荧光物质的荧光寿命与温度的函数关系曲线
荧光寿命测温的最大优势就是温度转换关系由荧光寿命单值决定，不受激励光源强度的变化、光纤传输效率、耦合程度的变化等外部条件的影响，所以相比较以荧光强度作为温度传感信号的测温法（荧光强度测温法或荧光强度比测温法）而言，荧光寿命测温法在测温原理上具有明显优势。