基于红宝石的荧光光纤温度传感器

基于红宝石的荧光光纤温度传感器 摘要:本文中提出了荧光光纤温度测量系统， 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了荧光物质的吸收和发射特性，并开发基于红宝石的光纤温度测量探头。该系统特别适合温度测量范围为20?C至600?C。实验中，由于其高度的分辨率和精度，这种温度测量方法被证明是有效和有用的。该系统解决了在特殊的环境和电磁干扰环境中的温度测量问题。 关键词:荧光光纤温度传感器;红宝石材料;PLD-PMSR A Fluorescence optic-fiber Temperature Sensor Based on Ruby Abstract: The fluorescence fiber temperature measurement system is proposed in his paper, The characteristic of fluorescence material absorption and emission is analysised, and the optic- fiber temperature measurement probe based on ruby is developed. This system is particularly adapt to the temperature measurement in the rang of 20? to 600?. During the cause of experimentation, this temperature measurement method is proved to be effective and useful for its highly resolution and precision. This system has resolved the temperature measurement problem in special environment and electromagnetic interference environmental. Keywords-fluorescence : optic-fiber thermometer; ruby material; PLD-PMSR 示，线区有最强的辐射()。因此，?.引言 R-694nm 除了是一个理想的珍贵宝玉石，红宝石一个现成的掺杂玻璃长通滤波器可被用作 作为激光晶体在世界上第一个激光的成功过滤器，如图中的，在探测器中隔离荧1F2 运作中的使用是众所周知的。它也是最早提光发射的激发光。不过，为了达到更好的隔出测温应用荧光寿命特性的材料[1]。Grattan离效果，在激光的用途设计中，图中的1F2首次报道了，实际使用的红宝石在光纤荧光被一个中心波长为，通频带为694.3nm12nm寿命温度计作为传感元件[2] [3]。在这种温的“现成的”带通干涉滤光片取代。 度计系统中，LED作为激发光源，硅二极管 用来检测荧光信号。使用该系统，测量温度 从室温到170?C以上的范围，努力扩大这 种紧凑和低成本系统的测量范围，并进一步 改善和扩展其性能设计.... ?.该设备的描述 图所示是这种红宝石荧光温度计的示 1 图1.基于红宝石的荧光寿命光纤温度计系统 意图，一个绿色作为激发源，它可以LED 注入中心波长为的强吸收光，图F1:短波滤波器;F2:R-线区滤波器 550nm[4]2 显示的是红宝石的吸收光谱图。在红色可见 光谱中，荧光发射光谱的重叠部分，绿色 的辐射包含弱发射峰，是一个短波滤LEDF1 波器，如图所示，的截止波长，是1630nm 用来消除辐射中的这个红色的尾巴。LED'' 很明显，荧光光谱有更长的波长，如图所3 ?.高温光纤探针的设计 使用温度探头的新特点是采用镀金的 纤维，其中，非常适合于达到高温下特定H 的应用，因为在高温区域，他们比早期工作 中使用的塑料复合二氧化硅()的纤维PCS 具有更有利的特点。使用专门开发的镀金[3] 技术已确保它焊接在光纤的末端，这种牢固 的安全的焊接就可制成探头，可以完全沉浸 在炎热的地区进行测量。由于光纤很小，镀 金和晶体都是小肿块，所以设备的热响应较 图2:红宝石的吸收光谱 快，昂贵的材料成本保持在较低水平。其目 在这个系统中，镀金石英光纤首先用来的是不断拓宽从室温到?的测量范600C制作温度测量探头来测量600?C,光纤的芯围。 径为400µm。如图4所示，探头是反射式配 置的结构。 使用时由于光源的发光强度相对LED 较低，能够探测到的诱导荧光反应的强度可 能只是几个纳瓦。虽然检测荧光反应中的一 个相对微弱的信号噪声被观察到，但是，为 了减小随着温度升高的荧光的强度，在较高 的温度点期望一个更有利的信号噪声比。图:在这个系统中所描述的基于用红宝 4 为了解决微弱的信号信噪比问题，用石作为光纤探头的荧光寿命温度计 “相位调制”的方法测量荧光的寿命，用一 个有固定频率，高品质因数的带通滤波器检 在光纤高温特性可使用的基础上发展测荧光信号中的宽带噪声。虽然此方法的有 这种高温光纤探头是可行的。普通塑料复合效性已充分证明，但是固定单一的调制频 二氧化硅(PSC)纤维最高工作温度被限制率，其测量范围是有限的，并且在高品质因 在150?C，但为了开采高得多的温度性能的数带通滤波器的参数略有漂移可能会引入 蓝宝石类传感器材料，如红宝石，另一种类相位测量误差。 型的纤维是必要的，比如，可以在黄金涂层 的形式，制造，和类型获得最高温度的能力 有一个上限750?C。通过薄金涂层的硅材料 上使用PCS纤维，这是相当大的改善。该 探头由四个400 -µm的纤维构建，使用其中 两个来传输激发光，两个接收荧光妥协的灵 活性和足够的光纤端面的面积。纤维由石英 芯径和掺二氧化硅包覆熔融而成，数值孔径 为0.22，包层与纤芯的直径比率为1:1.1[7]，图:红宝石的发射光谱3 一个特别的优势，这种纤维是金属涂层提供 了额外的可能性，直接金属对金属密封之间为了解决这个问题，技术被PLD-PMSR 的这种纤维涂层和金属胶囊含有红宝石材应用于基于红宝石的温度计系统，如图所1 料。然而，纤维涂层薄，这就意味着需要大示。这里，Ф是移相比，根据早些时候的讨 量的研究，制定最佳的技术实现这种联合，论，随着寿命周期的转换，这个最佳值选择 避免剥离涂层纤维和过热接头[ 8]。 为。3/8 在一个成功的和可重复性的技术确定图5:从室温到550?C红宝石荧光特性之前，很多探针制造技术都尝试过，如使用校准曲线 黄金焊料和助焊剂[9]，最后选择最适合的温 度低通量。它被证明是不可能的，因为这种 粗糙的方法使用传统的烙铁和烙铁燃烧器 组合，导致镀金层从纤维脱落，探头采用修 改后的真空沉积的装置制作。图4是该设备 的示意图。 ?.温度计的实验系统 通过调制周期频率，荧光寿命输出被检 测到，如图1所示，特性校准曲线如图5所示， 范围超过30?C到50?C，在150?C到450?图6:实验中记录的红宝石荧光强度 C这个范围，可看到最高灵敏度，超过500? C时，校准曲线明显趋向“扁平化”，在这个本质上，当温度大约低于水的冰点(0?范围，灵敏度的测量也受限制，如图5虚线C)，红宝石荧光寿命是不适合做温度传感所示，它代表了相对温度灵敏度所观察到的的，因为在这个区域，它的温度灵敏度很低，荧光寿命，低灵敏度也限制了性能的红宝石温度计系 统高达50?C，图所示系统在40?C时测量1,(,/,)S,的可重复性差，整个电子系统的长期漂移，,,/, ,T尤其是高增益光电探测器，可能比变化中的 ,这里的是观察到的荧光寿命，和荧光寿命的分解高得多。 ,, 是荧光寿命和温度的增量。 ,T 通过探测器的探测，荧光的强度随温度?.结论 的变化而变化，如图6所示。在整个温度区 所有基于荧光材料的其他温度计系统，域，它随温度的升高迅速地下降，这个结果能够测量的最高温度受限于由低荧光效率与Nathan早期指出的红宝石荧光量子效率和高温缩短寿命造成的，在越来越差的信号的实验证据并不相符，从620µm到770µm整噪声条件下，极短的荧光寿命检测的困难。个频带，这个独立的温度区域从-196?C到从在600?C实验数据中看，荧光强度由最大240?C，这里的探测仅仅是荧光激发光R-值降到0.7%，在340?C，荧光寿命是1µs,通线区的部分。随着温度的升高，R-线区的辐过使用其他荧光材料，可以找到一个符合成射强度降低，从室温到240?C，主要由于热本效益的解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，进一步扩大基于荧光温 度计的高温测量范围,如紫翠玉可作为传感3，4CrT2温升从2E态跃迁至态，研究表明，材料使用。 红宝石荧光的温度依赖性在上述范围内随 温度的升高而增强。 致谢 该项目得到河北科学和技术研究所支 持(No.07277109D);感谢河北省自然环境 科学基金会(No.2008000202)，感谢河北师 范大学重点基础设施(No.L2009Z10)和博 士基金会(No.L2007KD21)。 参考文献 [1] Grattan, K.T.V., Selli, R.K.and palmer, A.W. (1988). Ruby decay-time 的函数,做成光纤传感器将很具有吸引力。fluorescence thermometer in a 早在1963年,著名学者G.Burn和M.Nathanfiber-optic configuration. Review of 提出了红宝石(含有0.05%三氧化二铬的氧Scientific Instrument 59(8):1328-1335. 化铝晶体)量子效率理论[1]。认为氧化铝中[2] Wickersheim, K.and Sun, M. (1985). Cr3+的量子效率从77?到240?不随温度变Phosphors and fiber optics remove doubt 化恒为1,而R线区的量子效率随温度升高呈from difficult temperature measurements. 下降的趋势。一方面红宝石荧光的总辐射能Research &development (November): 独立于温度,另一方面荧光辐射能的分布随114-119. 温度的变化而变化。 [3] Zhang, Z.Y., Grattan, K.T.V.and 该系统是通过检测红宝石晶体的荧光Palmer, A.W. (1991). A 强度来实现温度测量的。荧光发射强度在波novelsignal-processing scheme for 长上被分离,通过电子技术和光学技术相结fluorescence based fiber-optic 合的方法,将荧光发射的波长分成2 个区域,temperature sensor. Review of 一个区域给出温度变化的数量, 另一个区Scientific Instruments62 (7): 1735- 域提供一随温度变化的自生成参考信号, 1742. . 其允许在荧光发射开始的瞬间输入的激励[4] Grattan, K.T.V., Palmer, A.W.and 光强度有微小的波动。 Zhang, Z.Y. (1991). Development of a 红宝石的荧光量子效率小于约 500 K high-temperature fiber-optic 情况下独立于温度,高于这个温度量子效率thermometer probe using fluorescent 下降很快。不变的激励光输入产生稳定的红decay. Review of Scientic Instruments62 光区发射, 该强度的 R 线分布降低。R 线(5): 1210-1213. 区中的这种能量损失重新被分配到两侧较 高和较低的波长区域,它可以保持总的荧光 输出测温为500 K。2 个量的比提供了精确 附:红宝石荧光温度测量系统原理 的自参考温度测量系统的基础,使温度测量 系统消除了由于光学连接的扰动引起的误 红宝石晶体具有稳定的物理及化学特差,如通过光纤和光纤连接器搭配的损失以性,而且价格便宜,利用其荧光光谱是温度及在正常使用中 LED 输出变化等。