基于稀土荧光材料的光纤温度传感器

　　1　引　　言

　　温度是测量科学和工业过程控制中最重要的几个测量参数之一。温度测量的重要性可以在科学研究和日常生活中随处可见,在现代生产生活中有着举足轻重的作用。在工业生产的许多领域中,都需要对温度进行检测,几乎所有的化学过程和反应都和温度有关,在化工厂中,经常可以看到温度作为正在进行的生产过程运行进程的唯一指示。温度测量的重要性甚至可以简单地从全世界对温度传感器和相应装置的投资上看出来,据估计全世界每年的温度传感器的销售额可以达几亿美元,如果加上相关的控制器、指示器以及其他的测量系统,这个数字可以翻几倍。

        尽管现有的仪器为工业生产、实验室或特殊的工业条件提供了很宽的选择范围,由于温度测量的应用范围不断扩展,使得对温度监控的创新、研究和发展一直在进行。因而要寻求新型温度传感器具有可靠性高、绝缘性能好、抗电磁干扰、重复性好、响应速度快、体积小、且价格低廉等优点。对于这样的要求,具有电特性温度测量装置的热电偶、电热温度调节器等是不完全适合的。

　　近年来,荧光光纤温度测量技术引起了人们的兴趣,它可以应用于医疗上的微波加热治疗、变电所或大型变压器内部温度监控等常规温度传感器难以应用的场合。目前用于工业过程、实验室或特殊的工业环境的温度测量仪器可谓种类繁多,其中基于荧光技术和传感器技术相结合的光纤荧光温度传感器是最为活跃的研究和开发领域之一。它可以应用于医疗上的微波加热治疗、变电所或大型变压器内部温度监控等常规温度传感器难以应用的场合。很多掺金属离子陶瓷的荧光寿命随温度的增加按指数衰减,由于荧光寿命与温度的关系从本质上讲是内在的,与光强无关,依据这种关系可以制成温度传感装置[1]。

　　2　荧光发光机理

　　当荧光物质受到外部的光激励时,它就会发射荧光。发射荧光的强度和寿命取决于荧光体的温度。有2种方法来获取荧光温度信息:一种方法是测量2个不同波长荧光峰值信号的强度比值,利用在不同波长上的受激荧光发射具有不同的温度依赖性,得到输出信号强度比与温度的关系。由于荧光信号对于激励光源的依赖性,必须采取有效措施来消除光源不稳定及测量通道中光强变化对测量结果的影响,这使得测试系统结构复杂化[2]。另一种方法是直接测量荧光寿命。

　　由于荧光寿命与温度密切相关,所以通过测量荧光寿命也可以获得温度信息。荧光寿命是荧光材料的固有特性,对其进行测量能实现温度的绝对测量,在低温和中温范围内有很好的灵敏度和测量精度。