一种基于三价镨离子发光特性的高灵敏度温度测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及温度传感技术领域，具体涉及一种基于三价镨离子发光特性的温度测 量方法。
【背景技术】
[0002] 众所周知，温度是一个非常重要的物理量。对温度的监控无论在工业生产中还是 科学研宄中都有着非常重要的作用。尽管目前的测温设备为人们提供了广泛的选择，但是 随着对温度传感设备的特性要求越来越高，例如，对高电压电器设备，工业微波设备，石油 开采设备等具有高电压，强电磁干扰，易燃易爆等特殊环境下的温度检测，热电偶以及热电 阻等利用电信号来表征温度的传统传感元件无法满足对温度长期稳定的测量。光学温度传 感技术的研制和开发具有重要的应用价值。光学温度传感技术具有对电和磁不敏感，可实 现远程测量等突出优势。
[0003] 当前，光学温度传感技术主要通过红外测温仪和运用稀土离子的热耦合能级对来 实现。红外测温作为现在最常用的光学温度测试手段，通过不同的红外波长来确定红外测 温仪的测量范围，能够应用于低中高全温区（-30?3000°C);但是，红外测温仪易受环境 因素影响（环境温度，空气中的灰尘等），并且对于光亮或者抛光的金属表面的测温读数影 响较大，测温误差较大，灵敏度低。发光材料的发光强度对温度的依赖性也可以用于温度测 量，一般分为荧光强度型温度传感器和荧光强度比型温度传感器，相对于荧光强度型温度 传感器泵浦光源在对荧光材料激励过程中的扰动易带来误差，荧光强度比型温度传感器更 加准确。稀土离子具有优异的发光特性，基于稀土离子的热耦合能级机理，稀土离子的发光 特性已经被应用于中低温区的温度传感。例如，2006年Vineet Kumar Rai等人在蹄酸锂玻 璃中掺杂Pr3+离子，利用热耦合能级3P「3HjP午^丸发射的荧光强度比随温度变化的特性 制备成焚光温度传感材料，测温范围为273K到453K(Vineet Kumar Rai et. Sensors and Actuators A, 2006, 128,（14 - 17))，在此温度范围内传感材料的最大灵敏度为0. 0144K-1。 2014年Zhou Shaoshuai等人制备了 Pr3+掺杂的|3 -NaYF 4温度传感材料，用于低温传 感，测量范围为120K到300K，在此温度范围内传感材料的最大灵敏度为0. 0135IT1 (Zhou Shaoshuai et. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2014, 14，（3739-3742))〇 然而作为热耦合能级对的3P〇和y态的能级间距较近，使得其发光峰交叠，在较高温度条件 下不易分辨，影响测量精度；而且由于热耦合能级对能量差较小，使得用 3P〇和午:态作为热 耦合能级对的温度传感器的灵敏度不高。需要指出的是，由于热耦合能级对能量差要满足 200-2000CHT 1，所以灵敏度较低的问题不仅存在于基于镨离子热耦合能级的温度传感，也同 样普遍存在于基于其它稀土离子热耦合能级的光学温度传感。因此开发一种基于稀土材料 发光特性的高灵敏度温度传感方法具有重大的应用前景。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了解决现有基于镨离子热耦合能级的温度传感材料的灵敏度 较低的问题，而提供一种新型的、具有高灵敏度的基于三价镨离子发光特性的温度测量方 法。
[0005] 本发明基于三价镨离子发光特性的高灵敏度温度测量方法按以下步骤进行：
[0006] -、将Pr3+掺杂到无机氧化物或氟化物中，制备得到Pr 3+摩尔掺杂浓度为1 %? 10 %的荧光温度传感材料；
[0007] 二、在不同温度下测试荧光温度传感材料的光致发光谱，建立AginmCDfX)和 eOSnmfPf 3^荧光峰强度比依赖于环境温度的标准曲线；
[0008] 三、将荧光温度传感材料置于待测温度的环境中，测量荧光温度传感材料的发光 光谱并计算出AginmC%-%)和eOSnm^Pcr%)对应的荧光峰荧光强度比，然后将荧光峰荧 光强度比数据代入步骤二所述的标准曲线中，从而得到待测环境的温度测量值，完成基于 三价镨离子发光特性的高灵敏度温度测量；
[0009] 其中步骤一所述的 SrTi03、BaTi03、（Ba，Sr)Ti03、NahKxNbC^、Bi 7Ti4Nb021、 B^NahTiOp 1^恥03或 CaWO 4,所述的氟化物为 0 -NaYF4、BaY2F8、YLiF4、CdF 2、KYF4或 SrF 2。
[0010] 本发明通过对氧化物或氟化物的高浓度Pr3+离子掺杂，得到了位于49 lnm (%-%) 的高强度发光。采用高掺杂Pr3+离子条件下和eosnmd%)荧光强度比 测量温度，获得测量范围为室温到532K温度范围内的温度探测，在此温度范围内以6% Pr3+ 掺杂（Ba，Sr)TiO#j备的温度传感材料的灵敏度最大值（532K时）能够达到0. 53K'远高 于其它已报道光学温度探测方法的灵敏度。
【附图说明】
[0011] 图1为光学温度传感材料6 % Pr3+掺杂（Ba，Sr) TiO 3和纯（Ba，Sr) TiO 3的XRD图， 1 代表纯（Ba，Sr) 1103的 XRD 图，2 代表 6 % Pr 3+掺杂（Ba，Sr) TiO 3的 XRD 图；
[0012] 图2为光学温度传感材料6% Pr3+掺杂（Ba，Sr) TiO 3的荧光强度随温度的变化关 系曲线，图中--为307K的条件下荧光随温度的变化关系曲线，-□-为342K的条件下 荧光随温度的变化关系曲线，-鲁-为371K的条件下荧光随温度的变化关系曲线，-〇-为 403K的条件下荧光随温度的变化关系曲线，-?-为438K的条件下荧光随温度的变化关系 曲线，_ ?-为475K的条件下荧光随温度的变化关系曲线，-▲-为532K的条件下荧光随 温度的变化关系曲线；
[0013] 图3为实施例一步骤二所得光学温度传感材料（Ba，Sr)Ti03:Pr 3+在％-丸和 %- 3H4发光的光强比随温度的变化的标准曲线图，图中为实验数据点；
[0014] 图4为以实施例一所得光学温度传感材料（Ba，Sr)Ti03:Pr3+制备的温度传感器灵 敏度随温度的变化曲线，图中为实验数据点；
[0015] 图5为实施例五所得光学温度传感材料2% Pr3+掺杂Na 荧光强度随温 度变化关系曲线，图中--为322K的条件下荧光随温度的变化关系曲线，-□-为355K 的条件下荧光随温度的变化关系曲线，-鲁-为387K的条件下荧光随温度的变化关系曲 线，-〇-为421K的条件下荧光随温度的变化关系曲线，-?-为456K的条件下荧光随温 度的变化关系曲线；
[0016] 图6为实施例五所得光学温度传感材料Nai_xK xNb03: Pr3+在3PQ-丸和勺2-丸发 光的光强比随温度的变化图，图中为实验数据点；
[0017] 图7是以实施例五所得光学温度传感材料NapANbCVP，制备的温度传感器灵敏 度随温度的变化曲线。图中为实验数据点。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0018] 一：本实施方式基于三价镨离子发光特性的高灵敏度温度测量方法 按以下步骤进行：
[0019] -、将Pr3+掺杂到无机氧化物或氟化物中，制备得到Pr3+摩尔掺杂浓度为1 %? 10 %的荧光温度传感材料；
[0020] 二、在不同温度下测试荧光温度传感材料的光致发光谱，建立AginmCDfX)和 eOSnmfPf3^荧光峰强度比依赖于环境温度的标准曲线；
[0021] 三、将荧光温度传感材料置于待测温度的环境中，测量荧光温度传感材料的发光 光谱并计算出Aginmd%)和eOSnm^PcT%)对应的荧光峰荧光强度比，然后将荧光峰荧 光强度比数据代入步骤二所述的标准曲线中，从而得到待测环境的温度测量值，完成基于 三价镨离子发光特性的高灵敏度温度测量；
[0022] 其中步骤一所述的 SrTi03、BaTi03、（Ba，Sr)Ti03、Nai_xKxNb03、Bi7Ti4Nb021、 B^NahTiOp 1^恥03或 CaWO4,所述的氟化物为 0 -NaYF4、BaY2F8、YLiF4、CdF2、KYF4或 SrF2。
[0023] 本实施方式由于3PQ和1D 2存在较大的能级差AE = 3783cm '使得两个荧光峰更 易监测和区分，而且具有极高的灵敏度。
[0024] 本实施方式所得到的光学温度传感材料具有更高的