一種新型熒光光纖測溫探頭及其一致性研究

鄭良廣，吳明明，趙呈銳，孫 炎

（1.中國中車傳感測量技術(shù)研發(fā)中心，寧波 315021；2.寧波中車時代傳感技術(shù)有限公司，寧波 315021）

近年來，光纖測溫技術(shù)取得了較大的研究成果，相對于傳統(tǒng)的鉑電阻、熱電偶、半導(dǎo)體等測溫技術(shù)，光纖具有一定的獨特性，能夠很好地抵抗外界環(huán)境的高壓與電磁干擾，具有絕緣、穩(wěn)定可靠、精度高、故障自診斷等優(yōu)點[1-2]，因此，熒光測溫技術(shù)逐漸引起了諸多學(xué)者的關(guān)注[3-5]，文獻(xiàn)[6-7]分別提出了基于希爾伯特變換和小波變換的熒光測溫技術(shù)；文獻(xiàn)[8]搭建了熒光測溫實驗系統(tǒng)，分析了不同組分熒光物質(zhì)光譜曲線，證明了光纖溫度傳感器的原理可行性。熒光光纖測溫傳感器在鐵路振動、沖擊復(fù)雜環(huán)境下仍能保持較好的冗余可靠性，具備傳統(tǒng)鉑電阻傳感器所不具備的優(yōu)點，能夠很好的適于列車軸溫的監(jiān)測與報警。但傳統(tǒng)的熒光探頭是將熒光物質(zhì)包裹于光纖端部，不利于熒光的充分反射，影響傳感器測溫的一致性，且制作工藝相對繁瑣，耗費人工成本較高。因此急需研發(fā)出一種新型裝配式的熒光溫度傳感器探頭體，并具備生產(chǎn)周期短、操作簡單、測溫一致性等優(yōu)點。

本文著重介紹了基于熒光測溫原理的一種新型裝配式的熒光溫度傳感器探頭體，并通過試驗進(jìn)行了該熒光測溫探頭的一致性分析，并得出較好的測溫效果，對提升熒光溫度傳感器測溫一致性及生產(chǎn)便利性具有較大意義。

1 熒光測溫原理

熒光材料受到外部激發(fā)脈沖光源的照射下激發(fā)出更大波長的熒光，對于特定的熒光材料，當(dāng)激發(fā)脈沖光源去除后熒光的強度和壽命衰減與溫度有一定的函數(shù)關(guān)系[9]，如式（1）所示，通過熒光衰減時長即可得出所測環(huán)境溫度。熒光特性曲線如圖1所示。

圖1 熒光特性曲線Fig.1 Fluorescence characteristic

式中：I（t）為熒光強度；A為常數(shù)；Ip（T）為熒光峰值強度；τ（T）表示熒光衰減時間；Ip（T），τ（T）均與環(huán)境溫度有關(guān)，根據(jù)熒光余輝壽命的檢測可以得出相應(yīng)溫度。

熒光光纖溫度傳感器測溫示意圖如圖2所示。

圖2 熒光測溫示意圖Fig.2 Fluorescent optical fiber temperature measurement

熒光測溫探頭是基于端部激發(fā)的熒光信號實現(xiàn)測溫的，是熒光光纖測溫技術(shù)的核心部件，探頭性能的一致性對測溫系統(tǒng)起關(guān)鍵作用，熒光物質(zhì)的均勻性對激發(fā)出的熒光特性有重要的影響。傳統(tǒng)的熒光探頭是將熒光物質(zhì)包裹于光纖端部，不利于熒光的充分反射，且制作工藝相對繁瑣?；谏鲜隹紤]，本文提出了一種新型裝配式的熒光溫度傳感器探頭體，首先將熒光材料與特定膠合劑按照設(shè)定比例混合后制成熒光體，后與一端研磨的光纖通過沖壓方式裝配在一起，制作測溫探頭，并進(jìn)行性能一致性研究。

2 探頭的結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計

本文將特定熒光材料與膠合劑按設(shè)定比例均勻混合后注入專用模具中，形成厚度為1 mm，外形尺寸略小于金屬套管內(nèi)徑的熒光體；將熒光體放入金屬套管內(nèi)；對光纖一端研磨平整，在距離研磨端3 mm 處添加卡環(huán)，保證卡環(huán)牢靠卡緊光纖；將帶卡環(huán)的光纖由專用沖壓工具將其壓入套管內(nèi)，卡環(huán)與套管內(nèi)壁過盈配合，保證壓緊，同時套管內(nèi)壁設(shè)有限位槽防止過度沖壓造成光纖損傷；最后在套管外側(cè)注入密封膠與外界隔絕，以達(dá)到防水防塵的目的。制作探頭結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 探頭結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of probe

3 影響熒光探頭一致性研究

為提升熒光探頭測溫一致性，分別分析熒光體正反兩面、熒光體厚度、熒光粉濃度等因素對熒光探頭測溫一致性的影響。其試驗詳情及結(jié)論如下所示。

3.1 試驗環(huán)境

主要試驗設(shè)備：酒精制冷恒溫槽（帶溫度校準(zhǔn)）、光電轉(zhuǎn)化模塊、顯示屏、探頭固定工裝等。

測試方法：將制冷恒溫槽設(shè)定在0 ℃，并通過鉑電阻對槽內(nèi)酒精進(jìn)行溫度校準(zhǔn)待溫度穩(wěn)定；探頭另一端通過光電轉(zhuǎn)化模塊與顯示屏相連；將熒光探頭通過固定工裝放入制冷恒溫槽內(nèi)酒精中至溫度穩(wěn)定，通過測溫軟件由顯示屏進(jìn)行動態(tài)顯示，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后進(jìn)行保存測溫數(shù)據(jù)。

3.2 探頭性能差異性

為了驗證熒光體兩面光學(xué)性能的差異性，根據(jù)上述工藝方法，取20 根相同性能的光纖及相同條件下制備的20 個熒光體，分別將其正反兩面朝向光纖端部，制成2 種探頭各10 根。在0 ℃恒溫槽環(huán)境中進(jìn)行溫度測試，實測溫度如圖4所示。

圖4 熒光體正反兩面差異性測試Fig.4 Difference test of positive and negative sides of phosphor

正面熒光體探頭偏差為0.3 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差為0.09；反面熒光體探頭偏差為0.2 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差為0.06；整體偏差4.7 ℃，整體標(biāo)準(zhǔn)差為2.23。

由圖4顯然可以得出，熒光體同一側(cè)對應(yīng)的探頭測溫一致性較好，兩側(cè)光學(xué)性能存在整體性偏移，且兩側(cè)偏差約為4.7 ℃，影響測溫精度。為避免工藝過程中由熒光體兩面對光纖面朝向不同引起的測溫誤差，需對熒光體兩面差異性作進(jìn)一步探究并消除。

潛在差異性分析與探究：①厚度對熒光體兩面差異性的影響；②熒光材料含量對熒光體兩面差異性的影響。本文將對上述潛在因素分別進(jìn)行針對性探究。

3.3 熒光體厚度對探頭一致性的影響

為了探究熒光體厚度對其兩面光學(xué)性能差異的影響，在保持原有條件不變的情況下，探討熒光體厚度對測溫性能的影響。由于熒光探頭體整體結(jié)構(gòu)空間較小，故采用常溫固化方式制作厚度分別為0.5 mm，1 mm 及1.5 mm 的熒光體。通過上述工藝方法制作探頭，在0 ℃恒溫槽實測結(jié)果如圖5所示。

圖5 熒光體厚度對探頭一致性的影響Fig.5 Influence of phosphor thickness to probe consistency

0.5 mm 熒光體正反面測溫偏差為0.5 ℃，0.6 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差為0.13，0.17；1 mm 熒光體正反面測溫偏差為0.4 ℃，0.5 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差為0.10，0.14；1.5 mm 熒光體正反面測溫偏差為0.4 ℃，0.4 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差為0.12，0.11。

通過圖5可以看出，3 種厚度的熒光體兩面所制作探頭測溫性能具有整體性偏移，改變厚度不能消除其差異性，厚度不是影響對熒光體兩面差異性的關(guān)鍵因素。

3.4 熒光材料濃度對探頭一致性的影響

熒光粉與膠合劑混合后濃度為處于未飽和狀態(tài)，常溫下膠合劑固化時間較長（需24 h 以上），熒光材料存在沉降，使得熒光體兩面熒光材料濃度不同。現(xiàn)將膠合劑與熒光粉按設(shè)定比例充分混合后體置于60 ℃環(huán)境下進(jìn)行快速固化（約30 min），減少熒光材料沉降的幾率，能夠有效改善兩面熒光材料的濃度差異。根據(jù)使用需求制作厚度為1.5 mm 的熒光體，并在0 ℃恒溫槽內(nèi)進(jìn)行測試，如圖6所示。

通過縮短熒光體固化時間后，組1～組3 熒光體正反兩面實測溫度最大差分別為0.2 ℃，0.2 ℃，0.1 ℃，0.1 ℃，0.2 ℃，0.3 ℃；標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.06，0.07，0.05，0.04，0.06，0.08；3 組探頭整體性能誤差小于±0.2 ℃。

從圖6可知，當(dāng)加快熒光體固化速度時，熒光體正反兩面所對應(yīng)探頭整體性偏移得到有效地抑制，探頭測溫性能具有較好一致性，并由此可以看出該種熒光光纖測溫探頭具有較好的測溫精度。

4 結(jié)語

本文介紹了一種新型熒光測溫探頭，重點研究了影響探頭測溫性能的一致性因素。研究發(fā)現(xiàn)：同側(cè)熒光體制作的探頭一致性較好，兩側(cè)對應(yīng)的探頭測溫性能存在一定整體性偏移，熒光體厚度對該差異性的影響較?。豢s短熒光體固化時間，改善其兩面熒光材料濃度，可以有效改善熒光體兩面的一致性，避免探頭測溫整體性偏移，提高測溫精度。通過改善熒光體性能能夠提升熒光探頭的測溫性能，從而使熒光光纖溫度傳感器性能得到優(yōu)化。本文的研究對于提高熒光光纖溫度傳感器的測溫性能，優(yōu)化加工工藝提供了參考依據(jù)，具有一定實際工程價值。