CN106525281B - 基于稀土离子上转换荧光的光纤测温装置及其测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于稀土离子上转换荧光的光纤测温装置及其测温方法，包括一用于提供激励光的激光器、用于传输激励光的第一传输光纤、设置与测温处用于收集并分离上转换荧光的角锥棱镜、用于传输上转换荧光的第二光纤和用于检测荧光寿命的荧光寿命检测装置，所述第一传输光纤一端与激光器连接，另一端与角锥棱镜固定连接，所述第二传输光纤一端与所述角锥棱镜固定连接，另一端与荧光寿命检测装置连接。本发明的有益效果在于：通过激光器与角锥棱镜配合进行测温，通过角锥棱镜分离上转换荧光，将上转换荧光传输至荧光寿命检测装置，得到对应的温度值。

Description

基于稀土离子上转换荧光的光纤测温装置及其测温方法

技术领域

本发明涉及光纤测温领域，尤其涉及一种基于稀土离子上转换荧光的光纤测温装置及其测温方法。

背景技术

由于一些测温现场具有较恶劣的环境，例如高温、高压、高电磁干扰，甚至有些测温现场有一定的腐蚀性、放射性；或易燃易爆等，不适于电子测温设备在现场工作。为解决在以上恶劣环境中测温的难题，许多远距离测温设备被设计出来，如：远距离红外测温设备、远距离无线测温设备等。但是，这些电子设备都具一些很关键的缺点，如红外测温设备易受空间光干扰、不能自动实时测量、不能进入空间狭小的测温点、产生电火花等。而无线测温设备的测温节点容易受到现场电磁干扰，大大影响测温精度，甚至无法进行测温，同时不具有抗腐蚀、抗辐射能力。

近几年来兴起的荧光寿命测温技术，是利用紫外或近紫外光作为泵浦光，对含铕稀土荧光粉进行泵浦，使其发射出下转换荧光，荧光呈现粉红色或红色等。然后，通过大直径光纤将荧光传送到荧光寿命检测装置，从而换算出测温点温度。该技术能够很好的解决测温现场各种恶劣条件造成的测温困难。但是，由于这种荧光寿命测温技术使用的是含铕稀土荧光材料的下转换荧光，泵浦光和荧光波长都不在光纤的低损耗窗口，因此光纤对泵浦光和荧光的损耗都很大；基于以上不足，现有荧光寿命测温技术无法实现长距离测温，其测温距离只能达到几十米，致使荧光寿命检测装置必须安装在距离测温现场较近的地方，容易使荧光寿命检测装置受到恶劣现场的影响，出现测温精度降低甚至无法工作的情况。

为解决以上长距离测温问题，研究采用光激励稀土离子的上转换发光技术，上转换也称为频率上转换或升频转换，即用长波长的光照射物质产生短波长发光的过程。最早的关于稀土离子上转换的发光研究，可以追溯到20世纪50年代初期, 由于稀土上转换在激光输出、夜视等方面的独特优势，国内外许多研究团队、科技公司对稀土离子的上转换发光特性和机制展开了较全面、***的研究。目前，稀土离子的上转换效应已被应用到上转换激光输出、上转换三维显示、上转换红外探测、上转换防伪技术等领域。上转换发光机制主要包括激发态吸收、能量传递、合作上转换、以及光子雪崩等，其中合作发光过程一般发生在两个同种离子之间。此过程在1970年由Nakazawa首次在YbPO₄中发现。如图1所示，用红外或近红外激光做为泵浦对稀土离子进行泵浦，将稀土离子a和b分别泵浦到激发态；处于激发态的a离子和b离子同时将能量传递到一个虚拟的激发态能级，发射出对应波长的荧光（上转换荧光），而a离子和b离子通过无辐射跃迁回到基态。经研究发现，当泵浦光撤销后，上转换荧光并不会马上消失，而是会以指数的形式衰减；将荧光强度衰减到初始荧光光强的1/e所经历的时间称为荧光寿命；研究表明，上转换荧光寿命与上转换荧光材料温度存在确定的函数关系。利用该上转换荧光寿命与温度的函数关系，只要测定上转换荧光寿命就可以推算出对应的上转换荧光材料的温度，从而实现测温。

发明内容

本发明的目的是针对以上不足之处，提供了一种基于稀土离子上转换荧光的光纤测温装置及其测温方法，实现长距离的测温。

本发明解决技术问题所采用的方案是：一种基于稀土离子上转换荧光的光纤测温装置，包括一用于提供激励光的激光器、用于传输激励光的第一传输光纤、设置与测温处用于收集并分离上转换荧光的角锥棱镜、用于传输上转换荧光的第二光纤和用于检测荧光寿命的荧光寿命检测装置，所述第一传输光纤一端与激光器连接，另一端与角锥棱镜固定连接，所述第二传输光纤一端与所述角锥棱镜固定连接，另一端与荧光寿命检测装置连接。

进一步的，所述角锥棱镜由掺杂有稀土离子的玻璃、陶瓷或晶体切割加工而成，所述角锥棱镜为直角三棱镜，所述直角棱镜的两条上直角边上分别镀有泵浦光高反射膜和第一荧光高反射膜；所述直角棱镜的两条下直角边上分别镀有泵浦光高透射膜和第二荧光高反射膜。

进一步的，所述第一传输光纤和第二传输光纤分别垂直于角锥棱镜的上直角边或下直角边设置。

进一步的，所述稀土离子为Er³⁺、Yb³⁺、 Pr³⁺、Tm³⁺或Er³⁺、Yb³⁺、 Pr³⁺、Tm³⁺之间的组合。

进一步的，采用Yb³⁺和Er³⁺氟化物玻璃加工成直角三棱镜，其加工方法包括以下步骤：

步骤S1按53%ZrF₄、18%BaF₂、3%LaF₃、3%A1F₃、20%NaF、 1%YbF₃、1% ErF₃的摩尔分数比称取纯度为99.99%的上述成分共m克放置于玛瑙研钵中，其中10≤m≤1000，充分研磨1小时制成样品，将样品放入白玉干锅中；

步骤S2：在白玉干锅中加入特定量的SF₆，并盖住白玉干锅盖，将白玉干锅放置到高温炉膛内；

步骤S3：开启高温炉，在950℃下加热1小时，然后再在770℃下保温1小时；

步骤S4：关掉高温炉，进行自然冷却；

步骤S5：从白玉干锅中取出冷却后的样品，制成块状玻璃并进行切割，得到直角三棱镜。

进一步的，所述激光器为泵浦激光器，所述激励光为泵浦光。

进一步的，所述第一传输光纤和第二传输光纤均为石英光纤、塑料光纤或尼龙光纤。

进一步的，所述荧光寿命检测装置包括一主控制芯片和与所述主控制芯片电连的用于接收第二传输光纤输入的光电转换模块、显示模块和通讯模块，所述光电转换模块依次经一信号放大模块和一AD转换模块与所述主控制芯片电连；所述主控制芯片经通信模块与外部PC机电连；所述主控制芯片还与所述激光器电连。

进一步的，所述光电转换模块为PIN光电二极管；所述主控制芯片为MCU控制芯片。

本发明还提供一种如上述所述的基于稀土离子上转换荧光的光纤测温装置的测温方法，将角锥棱镜设置于测温处，开启激光器，将激光器发出的光作为激励光经第一传输光纤传输至角锥棱镜上，激励光垂直入射到角锥棱镜上，产生上转换荧光，上转换荧光从角锥棱镜出射，耦合到第二传输光纤，经第二传输光纤传输到荧光寿命检测装置进行上转换荧光寿命的检测，得到测温处对应的温度值。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

（1）不受电磁干扰的影响，传统的测温方式都是通过电信号的变化进行测温，在强电或强磁干扰的情况下会出现测温不准、测温精度降低甚至无法正常工作的情况。本发明以上转换荧光的荧光寿命随温度变化的规律作为测温原理，涉及的是与光有关的物理量，不会受到强电磁干扰的任何影响。

（2）对易燃易爆环境的测温，实现产生电火花的电子器件设备远离测温点。本发明将角锥棱镜安装于测温点处，激光器与荧光寿命检测仪相距测温处较远，可达100米~1000米，即第一传输光纤和第二传输光纤可长为100米~1000米，实现长距离自动测温。

（3）上转换荧光测温所采用的激励光为红外或近红外光（如980nm，1550nm波长），此波段光在光纤中传播时的损耗比现有紫光激励下转换荧光测温技术中采用的紫外或近紫外光(如395nm)在光纤中传播时的损耗小很多(约十分之一)，而产生的荧光在光纤中的损耗相近或更小，所以上转化荧光测温能够真正实现长距离测温。

（4）成本低，本发明采用的激光器、第一传输光纤、第二传输光纤等都是常用的、技术可靠的产品，可以大大降低上转换荧光测温设备的成本。

（5）测温精度、灵敏度高，因为本发明所采用的上转换发光技术，其泵浦光和上转换荧光波长相差较大（上转换荧光波长约为泵浦光波长一半，如用980nm泵浦光产生绿光，或红光），容易实现上转换荧光与泵浦光的分离，从而降低泵浦光对测温精度和灵敏度影响，大大提高测温精度和灵敏度。

附图说明

下面结合附图对本发明专利进一步说明。

图1为稀土离子产生上转换荧光的示意图。

图2为本发明实施例的测温装置的控制框图。

图3为本发明实施例的角锥棱镜的结构示意图。

图中：1-角锥棱镜；2-第一传输光纤；3-第二传输光纤；4-泵浦光高反射膜；5-泵浦光高透射膜；6-第一荧光高反射膜；7-第二荧光高反射膜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1～3所示，本实施例的一种基于稀土离子上转换荧光的光纤测温装置，包括一用于提供激励光的激光器、用于传输激励光的第一传输光纤2、设置与测温处用于收集并分离上转换荧光的角锥棱镜1、用于传输上转换荧光的第二光纤和用于检测荧光寿命的荧光寿命检测装置，所述第一传输光纤2一端与激光器连接，另一端与角锥棱镜1固定连接，所述第二传输光纤3一端与所述角锥棱镜1固定连接，另一端与荧光寿命检测装置连接。

从上述可知，本发明的有益效果在于：本发明将角锥棱镜1安装于测温点处，激光器与荧光寿命检测仪相距测温处较远，实现长距离自动测温。

在本实施例中，所述角锥棱镜1由掺杂有稀土离子的玻璃、陶瓷或晶体切割加工而成，所述角锥棱镜1为直角三棱镜，所述直角棱镜的两条上直角边上分别镀有泵浦光高反射膜4和第一荧光高反射膜6；所述直角棱镜的两条下直角边上分别镀有泵浦光高透射膜5和第二荧光高反射膜7。

在本实施例中，所述第一传输光纤2和第二传输光纤3分别垂直于角锥棱镜1的上直角边或下直角边设置。

在本实施例中，所述稀土离子为Er³⁺、Yb³⁺、 Pr³⁺、Tm³⁺或Er³⁺、Yb³⁺、 Pr³⁺、Tm³⁺之间的组合。现有的下转换荧光寿命测温方法采用的荧光材料都是铕掺杂的稀土化合物荧光材料，这些材料都为粉末状，不利于测温探头的制作、探头的稳定性及探头与测温点的准确接触；而本发明采用的上转换荧光材料是单掺杂、双掺杂或多掺杂的透明玻璃、陶瓷或晶体，角锥棱镜1能够简单、紧凑、稳固的与光纤结合，且能够准确贴合到测温点上。

在本实施例中，采用Yb³⁺和Er³⁺氟化物玻璃加工成直角三棱镜，其加工方法包括以下步骤：

步骤S1：按53%ZrF₄、18%BaF₂、3%LaF₃、3%A1F₃、20%NaF、 1%YbF₃、1% ErF₃的摩尔分数比称取纯度为99.99%的上述成分共m克放置于玛瑙研钵中，其中10≤m≤1000，充分研磨1小时制成样品，将样品放入白玉干锅中；

步骤S2：在白玉干锅中加入特定量的SF₆，并盖住白玉干锅盖，将白玉干锅放置到高温炉膛内；

步骤S3：开启高温炉，在950℃下加热1小时，然后再在770℃下保温1小时；

步骤S4：关掉高温炉，进行自然冷却；

步骤S5：从白玉干锅中取出冷却后的样品，制成块状玻璃并进行切割，得到直角三棱镜。

研究表明，当用976nm激光照射Yb³⁺,Er³⁺氟化物玻璃样品时，样品会发射出很强的绿色上转换荧光，上转换荧光的波长在515nm到545nm之间。为了使976nm激光能够更好地被样品吸收并辐射出荧光，在直角三棱镜样品上直角边镀上976nm为中心的泵浦光高反射膜4。同时为了能够更好地收集上转换荧光，在该样品做成的角锥棱镜1直角上边镀上530nm为中心，带宽15nm的第一荧光高反射膜6，实现将976nm的泵浦光和530nm左右的上转换荧光进行高效分离；同时在在直角棱镜的下直角边镀上对530nm的第二荧光高反射膜7和对976nm的泵浦光高透射膜5，实现976nm的泵浦光透射而530nm左右的上转换荧光被反射。当直角三棱镜上下两直角边都镀膜完毕后，采用紫外固化胶将泵浦光光纤和荧光光纤粘结在一起，与斜边固定在一起，形成组合光纤镀膜直角三棱镜。

泵浦光中心波长为976nm，上转换荧光的波长在515nm到545nm之间，第一传输光纤2选择直径为125μm的普通通信单模石英光纤作为泵浦光光纤，第二光纤选用直径为400μm的多模光纤作为上转换荧光的传输光纤。

实验研究得到该样品上转换荧光的荧光寿命在常温下约为1700微秒左右，而温度每变化一个摄氏度，荧光寿命约变化6微秒，所以对于AD转换模块的转换速度和主控制芯片处理速度要求相对较低，故而选用STM32F103RCT6作为主控制芯片，同时该单片机上具有采样周期最短为1微秒的AD转换功能，所以无需外加AD转换芯片。同时该芯片具有串口通信功能，只需在外部加上一个RS232的电平转换芯片就可以实现RS232通信功能。

在本实施例中，所述激光器为泵浦激光器，所述激励光为泵浦光。

在本实施例中，所述第一传输光纤2和第二传输光纤3均为石英光纤、塑料光纤或尼龙光纤。

在本实施例中，所述荧光寿命检测装置包括一主控制芯片和与所述主控制芯片电连的用于接收第二传输光纤3输入的光电转换模块、显示模块和通讯模块，所述光电转换模块依次经一信号放大模块和一AD转换模块与所述主控制芯片电连；所述主控制芯片经通信模块与外部PC机电连。所述激光器与所述主控制芯片电连。

在本实施例中，所述光电转换模块为PIN光电二极管；所述主控制芯片为MCU控制芯片。

本发明还提供一种如上述所述的基于稀土离子上转换荧光的光纤测温装置的测温方法，将角锥棱镜1设置于测温处，开启激光器，将激光器发出的光作为激励光经第一传输光纤2传输至角锥棱镜1上，激励光垂直入射到角锥棱镜1上，产生上转换荧光，上转换荧光从角锥棱镜1出射，耦合到第二传输光纤3，经第二传输光纤3传输到荧光寿命检测装置进行上转换荧光寿命的检测，得到测温处对应的温度值。

本发明提供测温装置的具体实施过程如下：

采用中心波长为976nm的半导体激光器作为泵浦光光源，激光器通过STM32F103RCT6的一个IO脚控制可以实现在15纳秒内关断激光输出。976nm激光器输出的激光作为泵浦光通过一条直径为125μm的石英光纤（即第一传输光纤2）进行远距离传输后照射到直角三棱镜上，在直角三棱镜上得到上转换荧光： 通过泵浦光Yb³⁺,Er³⁺氟化物玻璃材料进行泵浦，使其发射波长在515nm到545nm之间的上转换荧光。该直角三棱镜是由Yb³⁺和Er³⁺氟化物玻璃材料切割成的直角三棱镜。第一传输光纤2和第二传输光纤3与直角三棱镜通过紫外固化胶粘合。直角三棱镜同时具有收集上转换荧光的作用，上转换荧光会在直角三棱镜斜边上出射，采用400μm直径的石英光纤作为第二传输光纤3，将上转换荧光进行长距离传输后入射到纳秒精度的荧光寿命检测装置，所述荧光寿命检测装置采用PIN光电二极管作为感光元件，将光信号转成电信号后再经过两次放大，然后输入到AD转换模块中；采用STM32F103RCT6作为主控制芯片，放大后的电信号经AD转换后得到数字化的荧光衰减曲线，主控制芯片通过算法从衰减曲线中提取出荧光寿命，得到的荧光寿命通过预置的拟合曲线可以换算出测温处的实际温度。经过实际验证，该检测装置够检测到10纳秒以上的荧光寿命变化，对应于0.01摄氏度的温度变化。选用的STM32F103RCT6具有串口通信功能，只需在外加一片MAX232作为RS232电平转换芯片就可实现RS232通信功能。

综上所述，本发明提供的一种基于稀土离子上转换荧光的光纤测温装置及其测温方法，结构简单，成本低，可靠性高，可以实现长距离的测温。

Claims (7)

1.一种基于稀土离子上转换荧光的光纤测温装置，其特征在于：包括一用于提供激励光的激光器、用于传输激励光的第一传输光纤、设置于测温处用于收集并分离上转换荧光的角锥棱镜、用于传输上转换荧光的第二传输光纤和用于检测荧光寿命的荧光寿命检测装置，所述第一传输光纤一端与激光器连接，另一端与角锥棱镜固定连接，所述第二传输光纤一端与所述角锥棱镜固定连接，另一端与荧光寿命检测装置连接；

所述角锥棱镜由掺杂有稀土离子的玻璃、陶瓷或晶体切割加工而成，所述角锥棱镜为直角三棱镜，所述直角三棱镜的两条上直角边上分别镀有泵浦光高反射膜和第一荧光高反射膜；所述直角三棱镜的两条下直角边上分别镀有泵浦光高透射膜和第二荧光高反射膜；

所述稀土离子为Er³⁺、Yb³⁺、 Pr³⁺、Tm³⁺或Er³⁺、Yb³⁺、 Pr³⁺、Tm³⁺之间的组合；

采用Yb³⁺和Er³⁺氟化物玻璃加工成直角三棱镜，其加工方法包括以下步骤：

步骤S1：按53%ZrF₄、18%BaF₂、3%LaF₃、3%A1F₃、20%NaF、 1%YbF₃、1% ErF₃的摩尔分数比称取纯度为99.99%的上述成分共m克放置于玛瑙研钵中，其中10≤m≤1000，充分研磨1小时制成样品，将样品放入白玉干锅中；

步骤S2：在白玉干锅中加入特定量的SF₆ ，并盖住白玉干锅盖，将白玉干锅放置到高温炉膛内；

步骤S3：开启高温炉，在950℃下加热1小时，然后再在770℃下保温1小时；

步骤S4：关掉高温炉，进行自然冷却；

步骤S5：从白玉干锅中取出冷却后的样品，制成块状玻璃并进行切割，得到直角三棱镜。

2.根据权利要求1所述的基于稀土离子上转换荧光的光纤测温装置，其特征在于：所述第一传输光纤和第二传输光纤分别垂直于角锥棱镜的上直角边或下直角边设置。

3.据权利要求1所述的基于稀土离子上转换荧光的光纤测温装置，其特征在于：所述激光器为泵浦激光器，所述激励光为泵浦光。

4.根据权利要求1所述的基于稀土离子上转换荧光的光纤测温装置，其特征在于：所述第一传输光纤和第二传输光纤均为石英光纤、塑料光纤或尼龙光纤。

5.根据权利要求1所述的基于稀土离子上转换荧光的光纤测温装置，其特征在于：所述荧光寿命检测装置包括一主控制芯片和与所述主控制芯片电连的用于接收第二传输光纤输入的光电转换模块、显示模块和通信模块，所述光电转换模块依次经一信号放大模块和一AD转换模块与所述主控制芯片电连；所述主控制芯片经通信模块与外部PC机电连，所述主控制芯片还与所述激光器电连。

6.根据权利要求5所述的基于稀土离子上转换荧光的光纤测温装置，其特征在于：所述光电转换模块为PIN光电二极管；所述主控制芯片为MCU控制芯片。

7.一种如权利要求1-6任意一项所述的基于稀土离子上转换荧光的光纤测温装置的测温方法，其特征在于：将角锥棱镜设置于测温处，开启激光器，将激光器发出的光作为激励光经第一传输光纤传输至角锥棱镜上，激励光垂直入射到角锥棱镜上，产生上转换荧光，上转换荧光从角锥棱镜出射，耦合到第二传输光纤，经第二传输光纤传输到荧光寿命检测装置进行上转换荧光寿命的检测，得到测温处对应的温度值。