高精度光纤荧光测温法的稳定性研究

    引　言

    荧光测温是上世纪八十年代发展起来的测温技术,采用荧光物质受激发射的荧光光强比或荧光寿命来实现测温。由于采用全光纤微小探头,无金属材料,具有完全的电绝缘性,不受高压、强电磁场的影响,抗化学腐蚀和无污染,可用于高压设备、电子线路、材料处理、食品加工和生物医学等领域,因此获得了广泛的重视与研究[1]。目前己有不少的产品上市。其中,美国Luxtron公司,加拿大的Fiso公司,日本的Omron公司都有较高精度的光纤测温仪上市。

    总的来说,由于成本高、调试、维护难度大,荧光测温产品尚未能大量进入市场。目前,随着市场需求的逐渐增强,国内也加紧开展研究工作[2]。

    我们在研究中发现,荧光测温仪提高精度后仪器读数出现短时或长时的不稳定或变动,也即,随着仪器精度的提高,稳定性的实现难度加大了。而且,其影响因素是多方面的,与通常认为“余辉测温与余辉强度等因素无关”的分析结果不一致。这方面的研究结果发表很少,因此本文拟从机理上探讨其稳定性问题,从中找出某些规律来指导设计。

    2　实际系统中存在的问题及理论根源

    2·1　实际系统中存在的问题

    根据荧光测温的一般性原理[3],荧光余辉曲线是指数曲线,余辉常数τ不随余辉强度的变化而变化,它与光源强度的变化、传输效率、耦合程度无关[4]。因此这样的仪器性能稳定,荧光探头不必逐个进行温度标定,并且可以互换。但是实践发现,随着仪器精度的提高,这些特点逐渐消失。例如,只有在标定点上才能实现10个分度的测量精度;光源漂移、通道特性对测量结果会产生影响;环境因素的变化也开始不能忽略等等。这些情况的出现使人们不得不怀疑上述理论的正确性。

    首先,再次观察荧光余辉曲线。红宝石是经常被选用的荧光材料,作为验证对象,测量其余辉曲线并进行指数拟合,然后在计算机上显示这两条曲线,如图1。由图可见,红宝石的余辉曲线与指数曲线有些差别,特别是起始部分。图2为用于电视屏幕的红色荧光粉的余辉曲线,差别更为显著。在更广泛的实验中,情形都类似。这说明指数变化的说法只是一种近似。进一步试验还表明,如果拟合段落不一样,或者拟合的选点不一样,还会得到不同的拟合结果。也就是说,拟合结果没有唯一性。这说明了仪器精度不高时,近似认为是指数曲线,随着仪器精度的提高,这种差别的影响就出现。因此环境温度、通道特性及光源漂移都会使幅值变化,从而使拟合结果变化,影响测量结果。