荧光光纤温度传感器.docx

光纤荧光温度传感2014级工程硕士---苏丹在测量科学和工业控制过程中，温度是最重要的被测参数之一它在许多应 用领域有重要的作用，热力学、流体力学、物理、化学、宇航等学科中所研究 的基本规律都与温度有密切关系温度传感器有着广泛的应用，多年来一直是研 究的重点和热点目前，在工业部门中，大功率电器设备关键部件的温升和易燃、 易爆、强腐蚀环境下的温度检测，以及在临床医学上用于肿瘤的温度检测等等， 都遇到了电磁波对温度信息的强烈干扰测量这类对象的温度，用光纤温度传感器有其独特的优点在获取荧光温度 信息方面，有两种方法可以来实现：一种方法是测量两个不同波长荧光峰值信号 的强度比值，利用在不同波长上的受激荧光发射具有不同的温度依赖性，得到输 出信号强度比与温度的关系由于荧光信号对于激励光源的依赖性，必须采取有 效措施来消除光源不稳定及测量通道中光强变化对测量结果的影响，这使得测试 系统结构复杂化另一种方法是直接测量荧光寿命由于荧光寿命与温度密切相 关，所以通过测量荧光寿命也可以获得温度信息荧光光纤温度传感器利用荧 光物质的荧光光谱随温度的变化特性制成了光纤荧光温度传感器国内外研究现状：上世纪60年代，光纤就在图像传递领域有所应用。

随后 几年，光纤和光通讯技术都有所发展，出现了光纤传感技术由于光纤的传光效 率高，频带宽，光纤传感的范围不断扩大1982年，研究人员研制了一个商业 化系统Luxtron-1000，以氧硫化钆作为敏感材料，使用镧激发，谱线强度与温 度相关，可通过谱线的强度比来得出温度，为后来的荧光强度比型传感器提供了 模型1987年，出现了基于荧光寿命的温度传感器K.T.VGrattan等人在系统 中加入了滤波电路，提高了信噪比，且生产成本大大降低，简化了制造工艺要求， 稳定性得到较大提高，应用较为广泛1991年，K.T.VGrattan等人用红宝石材 料作为荧光敏感材料，制作了高温荧光传感器，测温范围为20到5001992 年，Z.Y Zhang Grattan等提出了一种光纤温度传感器，实现了从室温在系统 中采用波长为670 nm的激光器作为激发光源，亚历山大石(alexandrite)晶体作为 探头材料1995年，E.maurice等人报道了一种绿荧光强度比技术，采用掺杂铒 光纤，可以实现动态测量，测量范围也较大(0〜600),灵敏度大约0.0131996 年，Y.L.Hu等人改进了以红宝石材料为探头的温度传感器。

使其测量精度大大 提高传感技术日趋成熟，且已在食品检测和环境检测中得到应用他们设计了 两种不 同规格的探头，并用两种不同芯径的光纤做实验，两种芯径分别为0.4mm 和0.1mm，结果显示：它们的荧光衰落时间不同，较大尺寸的探头时间稍长1997 年，他们对传感系统进行了完善，探头的尺寸被进一步缩小，信号处理技术得到 改进，显著的增大了测温范围1998年，S.F. Collins和GW. Baxter等提出了基 于荧光强度比(FIR)和荧光寿命(FL)的两种方法，对建立的荧光温度传感器的工 作性能进行了比较通过两种模式响应和灵敏度的比较分析得出了在较低温度 时，荧光强度的测量方法优越于荧光寿命的测量方法随着温度的增加可以看出， 在一个较宽的温度范围内，荧光寿命的测量方法优越于荧光强度比的测量方法 2001年，纳米晶体进入了科研人员的研究范围，R.S.Meltzer等人用纳米晶体 S:Eu作为实验材料实验测量了晶体中稀土离子的激发态的辐射寿命，实验显 示：它的寿命不同于块状晶体，组成纳米颗粒的介质的折射率以及填充在它们中 间的物质都影响其寿命2003年该研究小组将强度比概念扩展为功率比技术， 并详细研究了两个能级的不同谱带辐射功率，发现527 nm 537nm对应的跃迁， 545nm 555nm对应，在温度范围294~369内对温度的变化高度敏感，传感器的 灵敏度近似为0.6 %/K。

同年又在另一篇文章中报道了具有增强灵敏度，高信噪 比铒掺杂光纤温度传感 器，采用520〜530 nm和550〜560 nm谱带的功率比， 温度范围为室温到473 K，灵敏度 为0.022010年，Shrestha等人报导了多 谱线荧光寿命快速成像技术，该技术可以快速高效的完成对荧光材料的特性分 析在我国，光纤传感技术也得到了很大的重视，从上世纪70年代末就开始了 光纤方面的研究工作，发展也很迅速目前，国内许多高等院校、科研机构和企 业部门都在积极进行光纤传感技术的研究工作，光纤传感技术已成为国家重点研 究项目不断有相关的论文、译文发表，高精度的测量设备也在不断研制当中应用：1. 1998年，华南理工大学提出了一种红宝石光纤温度传感器该光纤温度传感 器探头采用具有稳定的物理和化学性能、价格便宜的红宝石晶体作为探头材料 研究结果表明，该光纤传感器具有性能稳定、成本低的特点，特别适合于对大型 机电设备内部温度以及各种加热炉、感应炉的温度测量2. 1999年，郑州大学提出了荧光光纤传感器的表面非接触测量，描述了强度调 制型荧光光纤温度传感器具有其他光纤温度传感器所不具有的优点对原有的传 感器的传 感部分做了改进，系统采用:Eu（即掺铕的硫氧化钇）晶体作为探头材 料，使之能用于对运动物体小面积的非接触性温度的测量。

3. 2000年，浙江大学提出了从室温到1800全程测温的蓝宝石单晶光纤温度传 感器该光纤传感器综合了光纤辐射测温技术和光纤荧光测温技术的特点，利 用特殊生长离子掺杂的蓝宝石单晶光纤，使两者有机地结合，实现用单一光纤 传感头从低温到高温全部范围的温度测量4. 2001年，西安交通大学研制了用荧光光纤温度传感器测试射线探伤机高压包 热场分布系统采用一种自制的荧光辐射型多路光纤温度传感器，对XGQ3005 充气变频射线探伤机的高压包（高压变压器绕组）中热场分布进行了测量，并对测 量结果进行了分析和讨论，为充气变频X射线探伤机的可靠性设计和安全使用 提供了有力的依据5. 2011年，报导了 MF稀土掺杂纳米材料的制备方法，纳米材料具有优良的特 性，可用于制造彩色荧光粉，生物荧光探针等，并逐渐被应用到更广泛的领域中由于一些稀土类物质受红外、紫外光或某种形式的光激励后发出的荧光，其 强度或寿命特性显示了非常好的温度相关性，因此荧光光纤传感器在不断探索新 的传感材料与检测方法的过程中取得了一定的进展荧光检测技术与光纤技术的 结合也在生化检测技术等领域取得较大的进展，尤其在一些极端的环境及条件下 都能准确的进行测试。

许多关于荧光传感的研究工作现在都把注意力集中在用光 纤传感器实现遥控测量技术，这是最能体现光纤传感器优越性的一个领域为扩 大其使用范围，还出现了可调谐波长的激光系统与光纤相结合，实现远距离测量， 针对恶劣的环境气氛（如毒性、腐蚀性等），也出现了能进行遥测的传感器从发 展趋势来看，在环境的选择性测量中，荧光光纤传感器会受到更多的重视随 着科学技术的发展，荧光光纤传感器在近十年来的发展已表现出强大的生命力 随着对其研究的深入，荧光光纤传感器的应用范围也必将进一步扩大可以预计， 荧光光纤传感器技术必将成为最富吸引力的传感技术之一荧光光纤温度传感技术的特点非常突出，技术产品已经成熟，容易进行工业 化批量生产并大幅度降低成本它属于接触测温类型，相对于传统“电类”测温技 术的优势非常明显，它的应用可以大幅度提高输变电设备的安全可靠性，提高设 备运行效率，减轻人员劳动强度，是一项特别值得全面推广的新技术随着市场 认知度的提高、成熟产品的上市、设计及制造工艺的日趋完善、行业标准的逐步 建立，光纤传感器技术在高压电气设备温度监测领域中广泛应用的前景是无可置 疑2016年5月10日。