淺議熒光壽命光纖溫度傳感器

楊宏志

摘 要：熒光壽命光纖溫度傳感器具有許多優(yōu)點，是光纖溫度傳感器領域的研究熱點，國內外對此做了大量研究。針對當前光纖溫度傳感器研究現(xiàn)狀，980nm光泵浦上轉換熒光壽命式光纖溫度傳感器的研究具有一定的創(chuàng)新性和實用價值。

關鍵詞：溫度；熒光壽命；光纖溫度傳感器

一、課題國內外研究現(xiàn)狀及研究主要成果

溫度，作為最基本的物理量之一，在工業(yè)生產(chǎn)、生活及科學研究等各方面都有著重要作用。熱力學、醫(yī)學、化學、冶金、自動化控制等學科中所涉及的眾多問題都與溫度有密切關系。精確的測定溫度已經(jīng)成為各個學科的共同需要與追求。

熒光光纖溫度傳感器因為其可靠性高、絕緣性能好、抗電磁干擾強、重復性好、響應速度快等諸多優(yōu)點，受到人們的廣泛關注。稀土發(fā)光熒光壽命與溫度的關系是熒光光纖溫度傳感器的基本測溫依據(jù)，只要測定出稀土發(fā)光熒光壽命與溫度的關系，就能制作出以相應熒光材料作為溫度敏感探頭的熒光光纖溫度傳感器。熒光光纖溫度傳感器一直是光纖傳感器的研究熱點。

原理：熒光材料（如摻雜稀土離子的晶體）在受到激勵光的照射后，其內部原子的外層電子吸收了光子，從基態(tài)低能級躍遷到激發(fā)態(tài)高能級，而當電子從高能級躍遷回到低能級時，將會輻射出熒光。激勵光消失之后，熒光材料將持續(xù)一段時間發(fā)射熒光，通常熒光強度以指數(shù)的形式衰減，其衰減曲線如圖1-1所示。

圖1-1 熒光衰減曲線

如圖1-1所示，熒光壽命是熒光信號從I0衰減為I0/e時的時間，熒光壽命與溫度存在確定的函數(shù)關系。只要測得熒光壽命與溫度的關系曲線，就能通過測量熒光壽命得出對應的溫度。

熒光測溫的工作機理是建立在光致發(fā)光這一基本物理現(xiàn)象上。所謂光致發(fā)光是一種光激發(fā)導致光發(fā)射現(xiàn)象。就是當材料由于受紫外、可見光或紅外區(qū)的光激發(fā)所產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象。因為出射的熒光參數(shù)與溫度有一一對應關系，通過檢測其熒光強度或熒光壽命來得到所需的溫度的。強度型熒光光纖傳感器受光纖的微彎曲、耦合、散射、背反射影響，造成強度擾動，很難達到準確度。熒光壽命型傳感器可以避免上述缺點，因此是采用的主要模式。熒光壽命的測量是測溫系統(tǒng)的關鍵。

國外對于稀土發(fā)光熒光壽命與溫度關系的研究起步較早，最早在1984年Th.Bosselmann等人就研究了摻雜鉻的Lu（Crx

All-x）3（BO3）4晶體的熒光壽命與溫度的關系，并以此為基礎設計出了熒光光纖溫度傳感器。在過去的近三十年時間里，國外對于稀土發(fā)光熒光壽命與溫度關系的研究一直保持著較高的熱度。各大研究機構、科技公司爭相報道了自己的研究成果及相應產(chǎn)品。美國密西西比州立大學用一種商用的環(huán)氧膠做溫度指示f含有多環(huán)芳烴化合物：PAHs。PAHs在用紫外光激發(fā)時發(fā)熒光。熒光的強度隨環(huán)氧膠周圍溫度的升高而減小.該傳感器可監(jiān)測20℃～100℃范圍內的溫度。日本東洋大學根據(jù)Tb：Si0，和Tb：YAG的光致發(fā)光（PL）譜與溫度有關，將其制成光纖溫度傳感器。在300～1200K的溫度下，Tb：Si0，的PL峰值在540nm時的光強隨溫度的升高單調減小。Tb：YAG晶體的PL譜的形狀隨溫度變化。韓國漢城大學發(fā)現(xiàn)l0cm長的Ybn、E一雙摻雜光纖在915nm處，兩熒光強度的比值在20℃～300℃間與溫度成指數(shù)關系。這種雙摻雜系統(tǒng)對于測量苛刻環(huán)境的溫度非常有用。從整體上講，國外主要的研究方向是高精度、高靈敏度、高速度及低成本等。

國內對于稀土發(fā)光熒光壽命與溫度關系的研究相對落后。由于其所涉及的學科較多、難度較大，參與研究的人群主要集中在幾所知名大學及研究機構。目前少有成熟的產(chǎn)品發(fā)布。目前國內有代表性的熒光光纖溫度傳感器有：華南理工大學提出的一種紅寶石光纖溫度傳感器。福州大學提出激勵光中心波長為395nm、熒光主峰中心波長為620nm、熒光壽命為毫秒級別的Eu化合物作為本設計的熒光材料的光纖溫度傳感器。清華大學電子工程系利用半導體GaAs材料對光的吸收隨溫度變化的原理，研制出測溫范圍：0℃～150℃，分辨率：0.5℃的光纖溫度傳感器。燕山大學設計了一種利用熒光波分和時分多路傳輸技術.通過檢測紅寶石晶體的熒光強度實現(xiàn)溫度測量的系統(tǒng)，該系統(tǒng)的測溫范圍：30℃～160℃，分辨率：0.5℃。海南大學用激光加熱基座法生長出端部摻Cr的藍寶石熒光光纖傳感頭。該傳感器的測溫范圍：20℃～450℃，分辨率：1℃。中北大學用一種鍍有陶瓷薄膜的藍寶石光纖作為傳感器的瞬態(tài)高溫測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)的測溫范圍：1200℃～2000℃，分辨率：1℃。

目前，國內熒光光纖溫度傳感器的市場主要被國外產(chǎn)品占領。國內在這一領域的研究還比較薄弱——對熒光壽命與溫度關系的研究大概始于二十世紀八十年代末期，而且，主要集中在國內的幾所高校。

2011年福州大學物信學院林燕金在導師黃衍堂教授指導下，研究了稀土發(fā)熒光壽命與溫度關系。該研究通過多次測定100K到400K的溫度范圍內稀土熒光粉樣品的熒光壽命與溫度的關系發(fā)現(xiàn)：稀土發(fā)光熒光壽命與溫度有著一一對應的關系；隨著溫度的上升，熒光壽命單調縮短；不同時間測得的相同溫度下的熒光壽命完全相同，具有良好的可重復性。此外，該研究還測定了稀土發(fā)光熒光光強與溫度的關系：隨著溫度的升高熒光光強單調減弱。該研究還在上述基礎上設計了一種熒光光纖溫度傳感器，并給出了相應的稀土熒光粉熱敏探頭、光路、電路及熒光壽命算法的解決方案。其光路系統(tǒng)實物圖如下：

林燕金同學設計的光路系統(tǒng)對于980nm光泵浦上轉換熒光壽命式光纖溫度傳感器的研究有較強的借鑒意義。

此外，林燕金同學針對實際測量中，由于熒光粉內部溫度無法完全均勻、發(fā)射熒光的能級的Stark開叉、熒光物質中有多條能級輻射熒光等諸多因素都會導致熒光衰減曲線的非單指數(shù)性，詳盡分析了從采樣到的熒光衰減曲線上提取出熒光壽命的五種方法：直接法；差值比值法；積分比值法一；積分比值法二；積分比值法三。在此基礎上，他還創(chuàng)造性提出了分段測量、計算的方法。

林燕金同學把他的研究最終研制成產(chǎn)品。他研究中提出的實踐平臺、研究思想及方法對980nm光泵浦上轉換熒光壽命式光纖溫度傳感器的研究更是有很強的指導意義。

國內外已經(jīng)有許多科研機構、科技公司、生產(chǎn)廠商將熒光壽命與溫度關系應用到生產(chǎn)生活中，制作出熒光光纖溫度傳感器。雖然國內在這方面的研究、生產(chǎn)還比較落后，但是也已經(jīng)走過了起步階段。浙江大學、大連理工、西安光機所等科研單位為我們的后續(xù)發(fā)展奠定了重要的基礎和積累了寶貴的經(jīng)驗。

二、存在問題不足

目前的熒光壽命式光纖溫度傳感器主要存在的問題有：

（1）激發(fā)光采用紫外光，如396nm、365nm波長，這個波段對石英光纖來說損耗較大，這樣為得到較強的熒光信號就必須采用較粗直徑的光纖或采用光纖束，光纖材料費用在這種光纖溫度傳感器中所占的比例較大。（2）溫度測量的準確度較低，一般在1--2°C。（3）測溫模塊一般都需要進行現(xiàn)場校正。

三、發(fā)展趨勢

從目前國內外的研究現(xiàn)狀和市場對熒光光纖溫度傳感器的需求來看，熒光光纖溫度傳感器將沿著更高確準度、更快響應速度、更大測溫范圍、更長測溫距離的方向發(fā)展。這就對熒光壽命與溫度關系的測定精度提出了更高的要求：因為只有從熒光壽命與溫度關系上入手，才能解決熒光光纖溫度傳感器的精度問題。同時也對更新更快更準確的熒光壽命檢測技術提出了要求，只有檢測方式改進，才能解決熒光光纖溫度傳感器的穩(wěn)定性和測量速度的問題。

綜上，世界各國的研究機構都設計過各種熒光壽命式光纖溫度傳感器，但比較集中采用激發(fā)光激勵稀土材料，產(chǎn)生下轉換發(fā)熒光的方式，通過測量熒光壽命與溫度的對應關系的原理進行測溫，而采用紅外光作為激勵光，激發(fā)稀土材料，產(chǎn)生上轉換熒光之方法的較少。由于下轉換方法中，激勵光在常用光纖（如石英材料）中損耗比較大，不能適應遠距離測量。而且因為傳輸損耗大，光纖直徑大，成本較高。如果能找到一種適當?shù)南⊥敛牧?，利用上轉換方法研發(fā)熒光壽命式光纖溫度傳感器，將具有新意義。

而采用980nm光泵浦上轉換熒光來設計光纖溫度傳感器，就是基于這一思路的具有一定創(chuàng)新性意義的熒光壽命式光纖溫度傳感器。因為980nm激光在光纖中傳輸損耗相比395nm紫光小，從而可以減少傳輸光纖直徑，能降低光纖溫度傳感器的成本。同時，這類光纖溫度傳感器光纖的長度可以增長，能試驗冶金、電力等遠距離測溫環(huán)境。

參考文獻：

[1] 勒偉，廖延彪，張志鵬.導波光學傳感器：原理與技術.科學出版社，1998：217-249.

[2] 葉林華，沈忠平，趙渭忠等，基于熒光衰減測量的藍寶石光纖溫度計.光電子激光，2002，138：773-776.

[3] Grattan KTV，SunT.Fiber optic sensor technology：an overvie

w.Sensors and Actuators，2000，（82）：40-61.

[4] 王玉田，胡俏麗，石軍彥.基于熒光機理的光纖溫度測量技術的研究.光學學報，2010，3（3）：655-659.

[5] 魏澤鼎，郝琳，鄭惠萍.基于單片機的熒光壽命