一种改进的比率型荧光温度传感装置及温度检测方法

本发明涉及温度传感，尤其是一种改进的比率型荧光温度传感装置及温度检测方法。

背景技术：

1、温度是物理学中的一个基本物理量，也是一个十分重要而且常用的量，生产生活的各个方面都与温度息息相关。因此如何做到精准的温度测量受到了人们的广泛关注。在温度测量设备发展史的早期，出现过热电偶温度计、半导体温度计、电容温度计等一系列的测温设备，但其敏感特性以电信号为工作基础，难以甚至无法应用于易爆易燃、高电压、强电磁场、具有腐蚀性气体液体等特殊环境中。基于发光材料的温度传感技术具有响应速度快、测量精度高和本质安全等优点，因而它在一些易燃易爆、强酸强碱甚至是细胞等复杂微小环境中的温度探测起着重要的作用。

2、目前，光学温度传感技术主要有红外测温和荧光测温两种。红外温度计通过不同的红外波长来确定红外测温仪的测量范围，能快速反映温度变化。但是红外温度计在采集数据信号即接收红外光谱信息时，容易受到散射影响，从而导致测温设备的空间分辨率较低，测温误差较大，灵敏度低。荧光测温通常基于发光材料的发光强度或荧光强度比(fir)实现。传统的荧光强度比(fir)测温基于材料的两个发射峰的峰值强度之比进行温度测量的方法，通常利用两个热耦合能级(tcl)的荧光峰,通过分析两个荧光峰强度的比值可以消除激发功率等非温度外界因素的干扰,该方法因其非侵入模式、响应快、自参考、灵敏度高等优点而备受关注。但是传统的fir测温无法抵抗荧光信号传播过程中的损耗，当光路中存在较强的损耗，导致荧光信号整体在发生畸变，则测温精度就会发生严重偏差。

技术实现思路

1、本发明需要解决的技术问题是提供一种改进的比率型荧光温度传感装置及温度检测方法，能够应用于恶劣环境，不受光路中损耗的影响，达到绝对精准的非接触式测温，且具有高灵敏度、高精度、耐高温、制作成本低、不受激光泵浦功率影响的特点。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、一种改进的比率型荧光温度传感装置，其特征在于：包括感温荧光材料、两个不同波段的激发光源、分光部、光谱仪和成像光路；

4、所述激发光源通过两条成像光路与分光部连接，所述分光部通过成像光路与置于测温环境中的感温荧光材料连接，所述感温荧光材料通过成像光路与光谱仪连接，所述光谱仪通过电路与处理器连接；

5、所述感温荧光材料由具备相同发射波段的两种独立荧光物质a和荧光物质b均匀机械混合而成，荧光物质a和荧光物质b包括但不限于稀土、过渡族金属元素掺杂荧光材料和量子点。

6、本发明技术方案的进一步改进在于：荧光物质a采用nd3+掺杂的ygg荧光粉，荧光物质b采用yb3+掺杂的ygg荧光粉。

7、本发明技术方案的进一步改进在于：所述两个不同波段的激发光源包括激光器i和激光器ii，激光器i和激光器ii包括但不限于激光器和发光二极管，并且分别激发感温荧光材料中两种独立的荧光物质。

8、本发明技术方案的进一步改进在于：激光器i使用532nm激光器，激光器ii使用980nm激光器。

9、本发明技术方案的进一步改进在于：所述分光部包括分光棱镜和分光板。

10、一种改进的比率型荧光温度传感装置的温度检测方法，包括以下步骤：

11、s1、两个不同波段激发光源由分光部进行共光程激发至感温荧光材料，所述荧光物质a被激光器i激发发出的荧光光谱信号作为检测信号，荧光物质b被激光器ii激发发出的荧光光谱信号作为参考信号；

12、s2、所述荧光物质a的荧光光谱数据与荧光物质b的荧光光谱数据进行同波长相比，得到新的合成荧光光谱数据，再将这组合成荧光光谱数据取特定区间做强度积分比，从而得到表征温度的强度积分比；

13、s3、将上述的合成荧光光谱数据的强度积分比随温度的变化拟合成温度标定曲线，将未知温度下测得强度积分比代入传感方程，求得被测温度。

14、本发明技术方案的进一步改进在于：s1具体包括以下步骤：

15、s11、在激光器i激发下：

16、

17、当体系达到稳态时可得：

18、

19、因为n1和n2是一对热耦合能级，所以满足：

20、

21、s12、在激光器ii激发下：

22、同理可得：

23、

24、其中，n0，n1，n2，na和nb分别代表nd3+：4i9/2,4f3/2,4f5/2和yb3+:2f7/2,2f5/2能级的总粒子数；h和c分别是普朗克常数和光速，si和sii分别表示激光i和激光ii的光斑面积，σi表示荧光物质a在i波段处的吸收截面，σii表示荧光物质b在ii波段处的吸收截面；pi和pii表示激光器i和激光器ii的泵浦功率；w1和wb表示无辐射跃迁速率，c1和cb表示辐射跃迁速率；t表示绝对温度，k表示玻尔兹曼常数，d表示常数，δe表示能级差；

25、其中，所述荧光物质a发出的荧光光谱信号强度随温度变化趋势不同荧光物质b发出的荧光光谱信号随温度变化情况。

26、本发明技术方案的进一步改进在于：s2过程如下：

27、在一定温度t下，电子由激发态跃迁至基态的发射强度i的表达式为：

28、ii＝nihνici

29、i代表不同的能级，ni、νi和ci分别代表能级上的粒子占据数，相应跃迁的光子频率和辐射跃迁速率，按照本发明思路，将改进的比率型荧光温度检测方法的强度比定义为firm：

30、

31、λiii和λiv分别代表两端特定的波段；

32、化简可得：

33、

34、由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

35、与现有技术相比，本发明提出的优化后的比率型荧光测温方法开创性地引入检测信号和参考信号，通过二者的做比，得到一组新的合成荧光信号，再将合成荧光信号做强度积分比，可以完全消除激光泵浦功率、光路中损耗的影响，在各种恶劣测温环境下都有优良的表现，是一种绝对精准的非接触式光学测温，具有高精度、高灵敏度、本质安全、性能稳定、耐腐蚀、体积小、成本低等众多优点。

技术特征：

1.一种改进的比率型荧光温度传感装置，其特征在于：包括感温荧光材料、两个不同波段的激发光源、分光部、光谱仪和成像光路；

2.根据权利要求1所述的改进的比率型荧光温度传感装置，其特征在于：荧光物质a采用nd3+掺杂的ygg荧光粉，荧光物质b采用yb3+掺杂的ygg荧光粉。

3.根据权利要求1所述的改进的比率型荧光温度传感装置，其特征在于：所述两个不同波段的激发光源包括激光器i和激光器ii，激光器i和激光器ii包括但不限于激光器和发光二极管，并且分别激发感温荧光材料中两种独立的荧光物质。

4.根据权利要求3所述的改进的比率型荧光温度传感装置，其特征在于：激光器i使用532nm激光器，激光器ii使用980nm激光器。

5.根据权利要求1所述的改进的比率型荧光温度传感装置，其特征在于：所述分光部包括分光棱镜和分光板。

6.一种改进的比率型荧光温度传感装置的温度检测方法，其特征在于：使用如权利要求1～5所述的改进的比率型荧光温度传感装置，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的改进的比率型荧光温度传感装置的温度检测方法，其特征在于：s1具体包括以下步骤：

8.根据权利要求6所述的改进的比率型荧光温度传感装置的温度检测方法，其特征在于：s2过程如下：

技术总结
本发明公开了一种改进的比率型荧光温度传感装置及温度检测方法，属于温度传感技术领域，包括感温荧光材料、两个不同波段的激发光源、分光部、光谱仪和成像光路；方法包括：两个不同波段激发光源由分光部进行共光程激发至感温荧光材料；荧光物质A的荧光光谱数据与荧光物质B的荧光光谱数据进行同波长相比，得到新的合成荧光光谱数据，将这组新的荧光光谱数据取特定区间做强度积分比，从而得到表征温度的荧光强度比；将强度积分比随温度的变化拟合成温度标定曲线，求得被测温度。本发明能够应用于恶劣环境，不受光路中损耗的影响，达到绝对精准的非接触式测温，且具有高灵敏度、高精度、耐高温、制作成本低、不受激光泵浦功率影响的特点。

技术研发人员：徐伟,任家暄,宋慧萍
受保护的技术使用者：燕山大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16