專利名稱：一種基于多種熒光材料混和的溫度傳感測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖傳感測溫方法，更具體地說，涉及一種基于多種熒光材料混和的溫度傳感測量方法。
背景技術(shù)：
光纖溫度傳感器以其精度高、傳感范圍寬、不受電磁干擾等優(yōu)點，已廣泛應用于智能電網(wǎng)、生物醫(yī)療、石油化工、工業(yè)微波、電源管理和軍事國防等領(lǐng)域。特別地，利用純光學原理進行參數(shù)測量的熒光光纖溫度傳感器具有傳統(tǒng)傳感技術(shù)所無法比擬的優(yōu)勢而受到越來越多研究人員的關(guān)注。雖然市場上一些熒光光纖溫度傳感器已經(jīng)實現(xiàn)小批量生產(chǎn)，但隨著應用領(lǐng)域的不斷擴展，性能優(yōu)越的熒光材料不斷涌現(xiàn)，傳感器的設(shè)計面臨著新的機遇與挑戰(zhàn)。熒光強度比光纖溫度傳感器最大的優(yōu)點在于傳感信息取決于強度比的變化，不受光源波動、光纖傳輸損耗、連接損耗等因素的影響。目前，關(guān)于采用熒光強度比進行 溫度測量的研究，大部分集中在稀土摻雜光纖上，對于熒光粉等其他一些稀土發(fā)光材料的報道較少。例如 Kusama 等人([I]Kusama, H. , O. J. Sovers, T. Y. oshioka. Line shiftmethod for phosphor temperature measurements. Japanese Journal of AppliedPhysics, 1996，15(12) :2345)研究了采用Y2O2S = Eu3+熒光體的兩個不同激發(fā)態(tài)躍遷得到的光強比進行光纖溫度傳感測量；西北工業(yè)大學物理系([2]柏海鷹，王濟民.基于新型稀土發(fā)光材料的突光光纖溫度傳感器系統(tǒng)[J].傳感技術(shù)學報，2004，(4) :660-662)設(shè)計了一套基于稀土熒光材料的熒光光纖測溫系統(tǒng)。系統(tǒng)以稀土材料Y2O2S:Eu+Fe203作為敏感材料，測溫范圍為25 85°C。這兩種測溫方案都因材料自身較低的熱猝滅溫度限制了溫度傳感器的測溫范圍，而且存在工藝復雜、成本高等缺點。同時，這兩類熒光材料的峰值發(fā)射波長由材料自身的能級決定，在不同峰值波長的熒光計算其強度比時靈活性受到局限，存在靈敏度較低等缺陷。對于稀土摻雜熒光粉，它可以直接在混于透光性良好的膠中，涂于纖芯上，不需要特殊加工，成本低廉、性能穩(wěn)定、兼容性好。當然多數(shù)稀土熒光粉只有單一發(fā)射峰，無法實現(xiàn)不同波長熒光強度比測量的難題。因此靈活選擇多種稀土熒光粉并將其混合，在同一激發(fā)光源的激勵下，測量不同波段的熒光強度比，對于低成本、高性能的新型光纖熒光溫度傳感器具有重大的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種采用多種熒光材料混和，在同一波長光源泵浦下測量不同波長的熒光強度比、實驗設(shè)備小巧簡便、制作成本低、靈敏度高、測溫范圍寬、成本低、溫度穩(wěn)定性好的基于多種熒光材料混和的溫度傳感測量方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下—種基于多種突光材料混和的溫度傳感測量方法,包括光源、光纖、混合突光粉、光譜儀、透光管；所述的混合熒光粉摻雜在透光膠中，呈熒光粉末棒的結(jié)構(gòu)；所述的透光管為半封閉透光管；所述的光纖為Y型多模光纖；步驟如下I)、所述的熒光粉末棒一端與Y型多模光纖的公共端相粘接，固定在半封閉的透光管中，另一端作為溫度傳感頭，設(shè)置于透光管的封閉端處；γ型多模光纖的分叉端的一端與光源相連，分叉端的另一端與光譜儀相連；2)、透光管的封閉端作為溫度傳感頭，置于待測物體；
3)、光源的光線出射后,進入Y型多模光纖的分叉端的一端,激勵突光粉末棒,激發(fā)的熒光從Y型多模光纖的分叉端的另一端導出，由光譜儀檢測并將相應的光譜傳輸?shù)接嬎銠C上，根據(jù)熒光強度比和溫度的對應關(guān)系進行定標，從而輸出實測的溫度值。作為優(yōu)選，光源與Y型多模光纖的分叉端的一端之間設(shè)有耦合透鏡。作為優(yōu)選，光譜儀與Y型多模光纖的分叉端的另一端之間連接有多模光纖準直器，光纖經(jīng)過多模光纖準直器后與光譜儀相連；多模光纖準直器上安裝有熒光濾光片。作為優(yōu)選，所述的熒光粉為CaAlSiN3:Eu2+、CaSiAlONiEu3+混合的熒光粉。作為優(yōu)選，所述的光源為405nm激光模組，用于激發(fā)CaAlSiN3:Eu2+、CaSiA10N:Eu3+混合的突光粉。作為優(yōu)選，所述的透光管為石英管。作為優(yōu)選，所述的光譜儀其探測器的響應波長范圍在20(Tll00nm。作為優(yōu)選，步驟3)所述的熒光強度比和溫度的對應關(guān)系的公式為R=-O. 0001X2+0. 005X+0. 3906，其中，X表示熒光強度比，R表示溫度。一種摻雜混和熒光粉末棒的制備方法，步驟如下A)、按1:1:2:2比例稱取CaAlSiN3 = Eu2+紅色熒光粉、CaSiAlON = Eu3+綠色熒光粉、粉末狀修補劑、膠狀修補劑；B)、將CaAlSiN3:Eu2+、CaSiAlONiEu3+熒光粉、粉末狀修補劑置于研缽中充分研磨；C)、再加入膠狀修補劑進行二次研磨，調(diào)成半固體糊狀；D)、將半固體糊狀制成棒狀結(jié)構(gòu)。作為優(yōu)選，，進一步還包括E)、將步驟D)制得的棒狀結(jié)構(gòu)粘接于Y型多模光纖的公共端，固定在半封閉的透光管的封閉端；F)、在常溫下固化16小時后放置80°C的恒溫箱2小時，此后緩慢升溫至150°C并保持2小時，緩慢冷卻至室溫完成固化。本發(fā)明的有益效果如下采用本發(fā)明所述的技術(shù)方案，采用多種熒光材料混和，在同一波長光源泵浦下測量不同波長的熒光強度比。此方法能克服多數(shù)熒光材料只有單一發(fā)射峰，無法實現(xiàn)不同波長熒光強度比測量的難題。本發(fā)明將熒光粉摻雜在透光膠中，使得傳感器整體靈敏度更高、測溫范圍更寬、溫度穩(wěn)定性更好。


圖I是基于本發(fā)明的實驗測量的連接示意圖；圖2是基于本發(fā)明的實驗測量所得到的光譜溫度特性圖；圖3是基于本發(fā)明的實驗測量所得到的不同能級熒光發(fā)射峰值隨溫度變化曲線圖；圖4是基于本發(fā)明的實驗測量所得到的熒光強度比I653miA526mi的溫度特性圖；圖中1是光源，2是Y型多模光纖，3是光譜儀，4是透光管，5是準直器，6是熒光濾光片，7是熒光粉末棒，8是計算機，9是溫度控制器，10是箱式電爐。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明進行進一步的詳細說明。—種基于多種熒光材料混和的溫度傳感測量方法，如圖I所示，實驗設(shè)備包括光 源I、光纖、突光粉末棒7、光譜儀3、半封閉的透光管4、多模光纖準直器5、突光濾光片6、計算機8、溫度控制器9、箱式電爐10。步驟如下I)、所述的熒光粉末棒7 —端與Y型多模光纖2的公共端相粘接，固定在半封閉的透光管4中，另一端作為溫度傳感頭，設(shè)置于透光管4的封閉端處；Y型多模光纖2的分叉端的一端與光源I相連，分叉端的另一端與光譜儀3相連；光源I與Y型多模光纖2的分叉端的一端之間設(shè)有耦合透鏡。光譜儀3與Y型多模光纖2的分叉端的另一端之間連接有多模光纖準直器5，光纖經(jīng)過多模光纖準直器5后與光譜儀3相連；多模光纖準直器5上安裝有突光濾光片6。2)、透光管4的封閉端作為溫度傳感頭，置于待測物體；3)、光源I的光線出射后,進入Y型多模光纖2的分叉端的一端,激勵突光粉末棒7，激發(fā)的熒光從Y型多模光纖2的分叉端的另一端導出，由光譜儀3檢測并將相應的光譜傳輸?shù)接嬎銠C8上，根據(jù)熒光強度比和溫度的對應關(guān)系進行定標，從而輸出實測的溫度值。所述的熒光強度比和溫度的對應關(guān)系的公式為R=_0. 0001X2+0. 005X+0. 3906，其中，X表示熒光強度比，R表示溫度。本實施例中，所述的突光粉末棒7中摻雜有混合突光粉,所述的半封閉透光管4為石英管，所述的光纖為Y型多模光纖2。所述的熒光粉為CaAlSiN3:Eu2+、CaSiAlONiEu3+混合的熒光粉；所述的光源I為405nm激光模組，用于激發(fā)CaAlSiN3:Eu2+、CaSiA10N:Eu3+混合的熒光粉。所述的光譜儀其探測器的響應波長范圍在20(Tll00nm。摻雜混合CaAlSiN3 = Eu2+和CaSiAlON = Eu3+熒光粉末棒7 —端用作溫度傳感頭，另一端與Y型多模光纖2的公共端相粘接，固定在半封閉的石英管中。405nm激光模組經(jīng)耦合透鏡耦合后進入Y型多模光纖2的分叉端的一端去激勵CaAlSiN3 = Eu2+和CaSiAlON = Eu3+熒光粉末棒7，激發(fā)的熒光從Y型多模光纖2的分叉端的另一端導出，由微型光譜儀3檢測并將相應的光譜傳輸?shù)接嬎銠C8上，根據(jù)熒光強度比和溫度的對應關(guān)系進行定標，從而輸出實測的溫度值。在本實施例中，采用圖I所示的實驗測量裝置，測試了 3(T270°C溫度下混合CaAlSiN3IEu2+和CaSiAlON = Eu3+熒光粉在45(T750nm波段的熒光強度。實驗結(jié)果如圖2所示，圖2中的五條曲線，由上至下，分別表示30°C、90°C、15(TC、210°C、27(TC的光譜溫度特性曲線。圖3中的兩條曲線，由上至下，分別表示中心波長分別為526nm和653nm的發(fā)射峰值的熒光強度隨溫度變化曲線圖。結(jié)合圖2和圖3我們可以看出，當溫度從30°C上升到270°C時，整個波段的熒光強度隨著溫度的升高而降低，且綠色熒光粉CaSiAlON = Eu3+較紅色熒光粉CaAlSiN3 = Eu2+變化更為顯著，常溫時，綠色熒光粉CaSiAlON = Eu3+的發(fā)射峰值是紅色熒光粉CaAlSiN3 = Eu2+的兩倍，當溫度升高到210°C時，兩者熒光強度相等；常溫時它們的中心波長分別位于526nm和653nm處，并隨著溫度升高略微藍移。圖4為熒光強度比R(I653nm/I526J的溫度特性，圖中的實線部分是根據(jù)實驗測得的25個溫度下的熒光強度做二次擬合，在低溫3(Tl20°C范圍內(nèi)，R隨著溫度的升高上升地非常平緩，靈敏度約為O. 00040C ―1 ;當溫度大于150°C后，R隨著溫度的升高呈指數(shù)上升的趨勢，靈敏度約為O. 0139°C 體現(xiàn)出較大的靈敏度測溫優(yōu)勢。由圖4 的 R (I653nm/I526J -T 曲線我們可以看出，采用 CaSiAlON: Eu3+ 與 CaAlSiN3: Eu2+ 兩種不同發(fā)射波長的熒光材料制作的光纖溫度傳感器，在靈敏度上體現(xiàn)出較大的優(yōu)勢，這為新型熒光強度比光纖溫度傳感器的研究提供了新的方案。本發(fā)明還提供一種摻雜混和熒光粉末棒7的制備方法，步驟如下A)、按1:1:2:2比例稱取CaAlSiN3 = Eu2+紅色熒光粉、CaSiAlON = Eu3+綠色熒光粉、粉末狀修補劑、膠狀修補劑；B)、將CaAlSiN3:Eu2+、CaSiAlONiEu3+熒光粉、粉末狀修補劑置于研缽中充分研磨；C)、再加入膠狀修補劑進行二次研磨，調(diào)成半固體糊狀；D)、將半固體糊狀制成棒狀結(jié)構(gòu)；E)、將步驟D)制得的棒狀結(jié)構(gòu)粘接于Y型多模光纖2的公共端，固定在半封閉的透光管4的封閉端；F)、在常溫下固化16小時后放置80°C的恒溫箱2小時，此后緩慢升溫至150°C并保持2小時，緩慢冷卻至室溫完成固化。本實施例中，具體步驟為用分析天平按1:1:2:2比例稱取CaAlSiN3 = Eu2+紅色熒光粉、CaSiAlON = Eu3+綠色熒光粉、粉末狀修補劑、膠狀修補劑。在干凈的環(huán)境下將CaAlSiN3:Eu2+、CaSiAlONiEu3+熒光粉和粉末狀修補劑三種種粉末置于研缽中充分研磨，再加入膠狀修補劑進行二次研磨，將調(diào)成半固體糊狀制成直徑為2mm高為7mm的棒狀結(jié)構(gòu),粘接于Y型多模光纖的輸出端，固定在內(nèi)徑2. 5cm、長為20cm的石英管的封閉端。在常溫下固化16小時后放置80°C的恒溫箱2小時，此后緩慢升溫至150°C并保持2小時，緩慢冷卻至室溫完成固化。所述的修補劑為超高溫修補劑，是由湖北回天膠業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的HT_767(A型)。所述的修補劑是由金屬、陶瓷、石英、纖維、高韌耐熱樹脂及固化劑組成的聚合金屬、聚合陶瓷類的雙組分材料，當兩組分充分混合后通過化學反應形成一種耐磨損、耐腐蝕、抗沖擊的高分子合金及陶瓷涂層。上述實施例僅是用來說明本發(fā)明，而并非用作對本發(fā)明的限定。只要是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)，對上述實施例進行變化、變型等都將落在本發(fā)明的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于多種突光材料混和的溫度傳感測量方法，其特征在于，包括光源、光纖、混合熒光粉、光譜儀、透光管；所述的混合熒光粉摻雜在透光膠中，呈熒光粉末棒的結(jié)構(gòu)；所述的透光管為半封閉透光管；所述的光纖為Y型多模光纖； 步驟如下 1)、所述的熒光粉末棒一端與Y型多模光纖的公共端相粘接，固定在半封閉的透光管中，另一端作為溫度傳感頭，設(shè)置于透光管的封閉端處；γ型多模光纖的分叉端的一端與光源相連，分叉端的另一端與光譜儀相連； 2)、透光管的封閉端作為溫度傳感頭，置于待測物體； 3)、光源的光線出射后,進入Y型多模光纖的分叉端的一端，激勵突光粉末棒，激發(fā)的熒光從Y型多模光纖的分叉端的另一端導出，由光譜儀檢測并將相應的光譜傳輸?shù)接嬎銠C上，根據(jù)熒光強度比和溫度的對應關(guān)系進行定標，從而輸出實測的溫度值。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于多種熒光材料混和的溫度傳感測量方法，其特征在于，光源與Y型多模光纖的分叉端的一端之間設(shè)有耦合透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于多種熒光材料混和的溫度傳感測量方法，其特征在于，光譜儀與Y型多模光纖的分叉端的另一端之間連接有多模光纖準直器，光纖經(jīng)過多模光纖準直器后與光譜儀相連；多模光纖準直器上安裝有熒光濾光片。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于多種熒光材料混和的溫度傳感測量方法，其特征在于，所述的熒光粉為CaAlSiN3:Eu2+、CaSiAlONiEu3+混合的熒光粉。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于多種熒光材料混和的溫度傳感測量方法，其特征在于，所述的光源為405nm激光模組，用于激發(fā)CaAlSiN3:Eu2+、CaSiAlONiEu3+混合的熒光粉。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于多種熒光材料混和的溫度傳感測量方法，其特征在于，所述的透光管為石英管。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于多種熒光材料混和的溫度傳感測量方法，其特征在于，所述的光譜儀其探測器的響應波長范圍在20(Tll00nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于多種熒光材料混和的溫度傳感測量方法，其特征在于，步驟3)所述的熒光強度比和溫度的對應關(guān)系的公式為R=_0. 0001X2+0. 005X+0. 3906，其中，X表示熒光強度比，R表示溫度。
9.一種摻雜混和熒光粉末棒的制備方法，其特征在于，步驟如下 A)、按1:1:2:2比例稱取CaAlSiN3= Eu2+紅色熒光粉、CaSiAlON = Eu3+綠色熒光粉、粉末狀修補劑、膠狀修補劑； B)、將CaAlSiN3:Eu2+、CaSiAlONiEu3+熒光粉、粉末狀修補劑置于研缽中充分研磨； C)、再加入膠狀修補劑進行二次研磨，調(diào)成半固體糊狀； D)、將半固體糊狀制成棒狀結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的摻雜混和熒光粉末棒的制備方法，其特征在于，進一步還包括 E)、將步驟D)制得的棒狀結(jié)構(gòu)粘接于Y型多模光纖的公共端，固定在半封閉的透光管的封閉端； F)、在常溫下固化16小時后放置80°C的恒溫箱2小時，此后緩慢升溫至150°C并保持2小時，緩慢冷卻至室溫完成固化。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于多種熒光材料混和的溫度傳感測量方法，步驟如下1)所述的熒光粉末棒一端與Y型多模光纖的公共端相粘接，固定在半封閉的透光管中，另一端作為溫度傳感頭，設(shè)置于透光管的封閉端處；Y型多模光纖的分叉端的一端與光源相連，分叉端的另一端與光譜儀相連；2)透光管的封閉端作為溫度傳感頭，置于待測物體；3)光源的光線出射后，進入Y型多模光纖的分叉端的一端，激勵熒光粉末棒，激發(fā)的熒光從Y型多模光纖的分叉端的另一端導出，由光譜儀檢測并將相應的光譜傳輸?shù)接嬎銠C上，根據(jù)熒光強度比和溫度的對應關(guān)系進行定標，從而輸出實測的溫度值。將熒光粉摻雜在透光膠中，傳感器靈敏度更高、測溫范圍更寬、溫度穩(wěn)定性更好。
文檔編號G01K11/32GK102829892SQ20121028905
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月14日
發(fā)明者董小鵬, 林靜敏 申請人:廈門大學