楊宏志

摘 要：熒光壽命光纖溫度傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)，是光纖溫度傳感器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外對(duì)此做了大量研究。針對(duì)當(dāng)前光纖溫度傳感器研究現(xiàn)狀，980nm光泵浦上轉(zhuǎn)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(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：溫度；熒光壽命；光纖溫度傳感器

一、課題國(guó)內(nèi)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(xué)研究等各方面都有著重要作用。熱力學(xué)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)、冶金、自動(dòng)化控制等學(xué)科中所涉及的眾多問(wèn)題都與溫度有密切關(guān)系。精確的測(cè)定溫度已經(jīng)成為各個(gè)學(xué)科的共同需要與追求。

熒光光纖溫度傳感器因?yàn)槠淇煽啃愿?、絕緣性能好、抗電磁干擾強(qiáng)、重復(fù)性好、響應(yīng)速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)，受到人們的廣泛關(guān)注。稀土發(fā)光熒光壽命與溫度的關(guān)系是熒光光纖溫度傳感器的基本測(cè)溫依據(jù)，只要測(cè)定出稀土發(fā)光熒光壽命與溫度的關(guān)系，就能制作出以相應(yīng)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(diǎn)。

原理：熒光材料（如摻雜稀土離子的晶體）在受到激勵(lì)光的照射后，其內(nèi)部原子的外層電子吸收了光子，從基態(tài)低能級(jí)躍遷到激發(fā)態(tài)高能級(jí)，而當(dāng)電子從高能級(jí)躍遷回到低能級(jí)時(shí)，將會(huì)輻射出熒光。激勵(lì)光消失之后，熒光材料將持續(xù)一段時(shí)間發(fā)射熒光，通常熒光強(qiáng)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(hào)從I0衰減為I0/e時(shí)的時(shí)間，熒光壽命與溫度存在確定的函數(shù)關(guān)系。只要測(cè)得熒光壽命與溫度的關(guān)系曲線，就能通過(guò)測(cè)量熒光壽命得出對(duì)應(yīng)的溫度。

熒光測(cè)溫的工作機(jī)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(dǎo)致光發(fā)射現(xiàn)象。就是當(dāng)材料由于受紫外、可見(jiàn)光或紅外區(qū)的光激發(fā)所產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象。因?yàn)槌錾涞臒晒鈪?shù)與溫度有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)其熒光強(qiáng)度或熒光壽命來(lái)得到所需的溫度的。強(qiáng)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(qiáng)度擾動(dòng)，很難達(dá)到準(zhǔn)確度。熒光壽命型傳感器可以避免上述缺點(diǎn)，因此是采用的主要模式。熒光壽命的測(cè)量是測(cè)溫系統(tǒng)的關(guān)鍵。

國(guó)外對(duì)于稀土發(fā)光熒光壽命與溫度關(guān)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(guān)系，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出了熒光光纖溫度傳感器。在過(guò)去的近三十年時(shí)間里，國(guó)外對(duì)于稀土發(fā)光熒光壽命與溫度關(guān)系的研究一直保持著較高的熱度。各大研究機(jī)構(gòu)、科技公司爭(zhēng)相報(bào)道了自己的研究成果及相應(yīng)產(chǎn)品。美國(guó)密西西比州立大學(xué)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(shí)發(fā)熒光。熒光的強(qiáng)度隨環(huán)氧膠周圍溫度的升高而減小.該傳感器可監(jiān)測(cè)20℃～100℃范圍內(nèi)的溫度。日本東洋大學(xué)根據(jù)Tb：Si0，和Tb：YAG的光致發(fā)光（PL）譜與溫度有關(guān)，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(shí)的光強(qiáng)隨溫度的升高單調(diào)減小。Tb：YAG晶體的PL譜的形狀隨溫度變化。韓國(guó)漢城大學(xué)發(fā)現(xiàn)l0cm長(zhǎng)的Ybn、E一雙摻雜光纖在915nm處，兩熒光強(qiáng)度的比值在20℃～300℃間與溫度成指數(shù)關(guān)系。這種雙摻雜系統(tǒng)對(duì)于測(cè)量苛刻環(huán)境的溫度非常有用。從整體上講，國(guó)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(guó)內(nèi)對(duì)于稀土發(fā)光熒光壽命與溫度關(guān)系的研究相對(duì)落后。由于其所涉及的學(xué)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(xué)及研究機(jī)構(gòu)。目前少有成熟的產(chǎn)品發(fā)布。目前國(guó)內(nèi)有代表性的熒光光纖溫度傳感器有：華南理工大學(xué)提出的一種紅寶石光纖溫度傳感器。福州大學(xué)提出激勵(lì)光中心波長(zhǎng)為395nm、熒光主峰中心波長(zhǎng)為620nm、熒光壽命為毫秒級(jí)別的Eu化合物作為本設(shè)計(jì)的熒光材料的光纖溫度傳感器。清華大學(xué)電子工程系利用半導(dǎo)體GaAs材料對(duì)光的吸收隨溫度變化的原理，研制出測(cè)溫范圍：0℃～150℃，分辨率：0.5℃的光纖溫度傳感器。燕山大學(xué)設(shè)計(jì)了一種利用熒光波分和時(shí)分多路傳輸技術(shù).通過(guò)檢測(cè)紅寶石晶體的熒光強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的系統(tǒng)，該系統(tǒng)的測(cè)溫范圍：30℃～160℃，分辨率：0.5℃。海南大學(xué)用激光加熱基座法生長(zhǎng)出端部摻Cr的藍(lán)寶石熒光光纖傳感頭。該傳感器的測(cè)溫范圍：20℃～450℃，分辨率：1℃。中北大學(xué)用一種鍍有陶瓷薄膜的藍(lán)寶石光纖作為傳感器的瞬態(tài)高溫測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)的測(cè)溫范圍：1200℃～2000℃，分辨率：1℃。

目前，國(guó)內(nèi)熒光光纖溫度傳感器的市場(chǎng)主要被國(guó)外產(chǎn)品占領(lǐng)。國(guó)內(nèi)在這一領(lǐng)域的研究還比較薄弱——對(duì)熒光壽命與溫度關(guān)系的研究大概始于二十世紀(jì)八十年代末期，而且，主要集中在國(guó)內(nèi)的幾所高校。

2011年福州大學(xué)物信學(xué)院林燕金在導(dǎo)師黃衍堂教授指導(dǎo)下，研究了稀土發(fā)熒光壽命與溫度關(guān)系。該研究通過(guò)多次測(cè)定100K到400K的溫度范圍內(nèi)稀土熒光粉樣品的熒光壽命與溫度的關(guān)系發(fā)現(xiàn)：稀土發(fā)光熒光壽命與溫度有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系；隨著溫度的上升，熒光壽命單調(diào)縮短；不同時(shí)間測(cè)得的相同溫度下的熒光壽命完全相同，具有良好的可重復(fù)性。此外，該研究還測(cè)定了稀土發(fā)光熒光光強(qiáng)與溫度的關(guān)系：隨著溫度的升高熒光光強(qiáng)單調(diào)減弱。該研究還在上述基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種熒光光纖溫度傳感器，并給出了相應(yīng)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(shí)物圖如下：

林燕金同學(xué)設(shè)計(jì)的光路系統(tǒng)對(duì)于980nm光泵浦上轉(zhuǎn)換熒光壽命式光纖溫度傳感器的研究有較強(qiáng)的借鑒意義。

此外，林燕金同學(xué)針對(duì)實(shí)際測(cè)量中，由于熒光粉內(nèi)部溫度無(wú)法完全均勻、發(fā)射熒光的能級(jí)的Stark開叉、熒光物質(zhì)中有多條能級(jí)輻射熒光等諸多因素都會(huì)導(dǎo)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(chǔ)上，他還創(chuàng)造性提出了分段測(cè)量、計(jì)算的方法。

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

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

二、存在問(wèn)題不足

目前的熒光壽命式光纖溫度傳感器主要存在的問(wèn)題有：

（1）激發(fā)光采用紫外光，如396nm、365nm波長(zhǎng)，這個(gè)波段對(duì)石英光纖來(lái)說(shuō)損耗較大，這樣為得到較強(qiáng)的熒光信號(hào)就必須采用較粗直徑的光纖或采用光纖束，光纖材料費(fèi)用在這種光纖溫度傳感器中所占的比例較大。（2）溫度測(cè)量的準(zhǔn)確度較低，一般在1--2°C。（3）測(cè)溫模塊一般都需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校正。

三、發(fā)展趨勢(shì)

從目前國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和市場(chǎng)對(duì)熒光光纖溫度傳感器的需求來(lái)看，熒光光纖溫度傳感器將沿著更高確準(zhǔn)度、更快響應(yīng)速度、更大測(cè)溫范圍、更長(zhǎng)測(cè)溫距離的方向發(fā)展。這就對(duì)熒光壽命與溫度關(guān)系的測(cè)定精度提出了更高的要求：因?yàn)橹挥袕臒晒鈮勖c溫度關(guān)系上入手，才能解決熒光光纖溫度傳感器的精度問(wèn)題。同時(shí)也對(duì)更新更快更準(zhǔn)確的熒光壽命檢測(cè)技術(shù)提出了要求，只有檢測(cè)方式改進(jìn)，才能解決熒光光纖溫度傳感器的穩(wěn)定性和測(cè)量速度的問(wèn)題。

綜上，世界各國(guó)的研究機(jī)構(gòu)都設(shè)計(jì)過(guò)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(lì)稀土材料，產(chǎn)生下轉(zhuǎn)換發(fā)熒光的方式，通過(guò)測(cè)量熒光壽命與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系的原理進(jìn)行測(cè)溫，而采用紅外光作為激勵(lì)光，激發(fā)稀土材料，產(chǎn)生上轉(zhuǎn)換熒光之方法的較少。由于下轉(zhuǎn)換方法中，激勵(lì)光在常用光纖（如石英材料）中損耗比較大，不能適應(yīng)遠(yuǎn)距離測(cè)量。而且因?yàn)閭鬏敁p耗大，光纖直徑大，成本較高。如果能找到一種適當(dāng)?shù)南⊥敛牧希蒙限D(zhuǎn)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(zhuǎn)換熒光來(lái)設(shè)計(jì)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?yàn)?80nm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(shí)，這類光纖溫度傳感器光纖的長(zhǎng)度可以增長(zhǎng)，能試驗(yàn)冶金、電力等遠(yuǎn)距離測(cè)溫環(huán)境。

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