基于单片机的荧光寿命法温度测量仪的研究

　　0　引言

　　随着工业过程对于温度测量的要求越来越高,测量中的非线性、响应速度和分辨率等因素成为提高温度测量与控制精度的主要障碍。根据荧光寿命和温度之间唯一对应的关系,测出荧光寿命就能得到被测物体的温度。相对于常规的温度测量方法,这种测温技术克服了电磁干扰产生的误差,可实现非接触式测量,荧光材料热容量小且价格便宜,使测温装置更加精确、高速、便捷、灵活。对电磁干扰环境、易燃、易爆、高电压、具有腐蚀性气体、液体等特殊工况和不易接触场合温度测量具有广阔的应用前景[1-2]。

　　目前,检测荧光寿命的数据处理方案有多种多样,但这些方案都存在明显的不足,比如不能利用整个衰减过程所包含的信息、测量动态范围以及数值算法繁琐而使程序设计复杂,极大地延长信号处理时间等。这些缺陷使得荧光测温仪的测量

　　精度与响应速度都受到严重影响而难以推广[3]。一种基于单片机89V51RD2的荧光寿命检测方法,避免了上述不足,在0~100℃内分辨率为0_·01℃,测量精度为±0_·05℃,响应时间为0_·01 s.

　　1　荧光测温机理

　　当某些敏感材料在受光照射后,会产生荧光。激励光消除之后荧光强度衰减至原来强度的1/e所经历的时间称为荧光寿命,用τ来表示[4]。荧光寿命的长短决定于温度的高低,可用式(1)来表示[5]:

　　式中:R_E、R_T、ΔE、k均为常数;T为绝对温度。

　　由式(1)看出,荧光寿命和温度之间存在唯一对应的关系,只要测出荧光寿命,就能得出被测温度。这种方法测温的最大优点,就是荧光材料的时间常数只取决于被测温度,而与系统的其他变量无关,例如光源强度的变化、传输效率、耦合程度的变化等都不影响测量结果,较光强测温法原理上有明显优势[6]。另外,由于荧光寿命是传感材料的本征参数,因此使得系统具有自我校正的可能性[7]。荧光光纤测温系统原理框图如图1所示。LED发出的激发光经光纤传输到荧光探头,激发出荧光,滤光片滤除杂散光后由光敏管检测出荧光信号,再经过整形电路得到对应的方波信号,该信号与驱动LED的方波信号一起进入异或门。但二者存在一滞后时间,该滞后时间是由码管DG2~DG5显示测量结果或指示工作状态,按键S1到S4输入工作信息。在程序控制下89V51RD2的WR引脚输出1kHz的方波,经过晶体管P1放大驱动发光二极管L1为探测头的发光源,光敏管P3接收光照产生电流,在VR上得到对应电压,该电压加到晶体管P2的基极上,使其关断, 74LS04的输入引脚3得到低电平, 4脚输出高电平,加在异或门74LS86的输入端1脚和4脚; 1 kHz的方波还经过74LS04的第1脚反向到第2脚,加载到异或门的输入引脚2和5。如图3所示:由于荧光的余辉作用,光敏管P3输出的信号,与单片机WR引脚输出的1 kHz方波产生一个时间差,这个时间差是由荧光的寿命决定的,所以e的下降沿晚于b的下降沿约为一个荧光寿命时荧光的寿命τ决定的。根据异或门特性,只要二者逻辑状态不同,异或门就输出为1,单片机测量出异或门输出为1的时间τ,再按式(1)得出被测温度,最后显示与输出。