基于希尔伯特变换的荧光光纤温度计研究

　　0　引　言

　　近年来,荧光光纤温度测量技术引起了人们的兴趣,它可以应用于变电所或大型变压器内部温度监控、微波加热医疗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(对多能级系统更复杂),依据这种关系可制成温度测量等传感装置。而荧光寿命与温度的关系从本质上讲 是内在的,与光强无关,这样,就可以制成自校准的光纤温度计。本文提出了采用希尔伯特变换测量荧光寿命的方法,给出温度计系统组成并优化了系统结构。实验 表明:本系统可达到较高精度。

　　1　荧光温度计的组成与原理

　　荧光测温的工作机理是建立在光致发光这一基本物理现象上的。当激励光消失之后,荧光发光的持续时间取决于激发态的寿命,它通常是按指数规律衰减 的。该指数衰减的时间常数可作为激发态寿命的量度,称为荧光寿命或荧光衰落时间。所有荧光材料的荧光寿命和荧光强度,都会在某一相应的温度范围内表现出一 定的温度相关性。这些温度特性为荧光测温技术提供了保证。图1为研制的荧光光纤温度计的原理框图。

　　由于石英光纤荧光温度探头的荧光感温元件与传导光纤束分离,因此,必须采用光学胶合剂和较复杂的保护套以增加机械强度和稳定性,这就使探头的热 惯性增大,动态响应变差。部分石英光纤温度探头还要经受荧光体的工作温度变化,往往采用昂贵的镀金属层的石英光纤,而且,不能适用温度较高的场合。蓝宝石 光纤具有优良的物理化学性能,熔点高达2045℃,在近红外区具有良好的光学透过率,是优良的耐高温光纤传感材料。本文采用激光加热小基座(LHPG) 法,在蓝宝石光纤端部生长出一段红宝石(Cr³⁺—Al₂O₃)晶体光纤作为荧光感温材料,制成结构紧凑、耐高温和性能稳定的蓝宝石荧光光纤温度探头,即图1中的探头。

　　端部掺Cr³⁺的蓝宝石光纤两端经光学抛光以后,将掺Cr³⁺的Cr³⁺—Al₂O₃光纤一端用作温度探头,另一端与Y型石英光纤相连。将一个脉冲驱动的黄绿色超高亮度发光二极管作为激励源(发光中心波长为575 nm,光谱带宽为40 nm),光源发出的光经透镜聚焦后进入Y型石英光纤激励Cr³⁺—Al₂O₃晶体发射荧光,激发的荧光从Y型石英光纤另一端导出,通过滤光片滤除激励光后到达PIN Si光电探测器,荧光信号经光电转换放大后送到锁相放大器,最后,对荧光寿命进行检测,送入微机。

　　锁相放大器是利用互相关原理设计的,对检测信号和参考信号进行相关运算一种同步相干检测仪。目前的锁相放大器有如下的特点:极高的放大倍数,若 有辅助前置放大器,总增益可达1011(即220 dB),能检测极微弱信号;交流输入、直流输出,其直流输出电压正比于输入信号幅度和被测信号与参考信号相位差的余弦;满刻度灵敏度达μV, nV,甚至pV量级;非相干信号输入过载电压可达60 dB以上,即噪声大于信号数千倍以上时仍能正常检测。图2为典型的锁相放大器原理图。