基于稀土掺杂材料的荧光强度比光纤温度传感器

摘要

光纤温度传感器以其精度高、传感范围宽、不受电磁干扰等优点,已广泛应用于智能电网、生物医疗、石油化工、工业微波、电源管理和军事国防等领域。特别地,利用纯光学原理进行参数测量的荧光光纤温度传感器具有传统传感技术所无法比拟的优势而受到越来越多研究人员的关注。虽然市场上一些荧光光纤温度传感器已经实现小批量生产,但随着应用领域的不断扩展,性能优越的荧光材料不断涌现,传感器的设计面临着新的机遇与挑战。
　　 本文将理论研究与实验相结合,采用荧光强度比技术对上转换荧光粉、稀土掺杂光纤、白光用LED荧光粉这三类稀土荧光材料的光纤温度传感器的光路设计、探头制备、温度特性、稳定性验证等相关问题,深入系统地开展了研究。(1)首次提出采用上转换发光材料制作基于不同波长荧光强度比的光纤温度传感器。设计思想是基于多数上转换荧光粉在一定波长泵浦下有多个峰值发射波长,因此选择不同峰值波长的荧光计算其强度比时具有较大的灵活性;同时,由于光纤通信的发展使用于泵浦的900～1000nm波段光源成本较低,易于获取,加之泵浦光与发射荧光波长间隔较远,易于实现滤波和消除泵浦光对荧光检测的不利影响。本文以NaYF4:Yb3+/Er3+材料为例,通过计算能级2H11/2与4F9/2的荧光强度比进行测温,在25～180℃范围内,获得灵敏度约0.006℃-1,比传统上通过热偶能级2H11/2和4S3/2荧光强度比的方式测温灵敏度增大了20％。(2)与传统采用一种稀土光纤的温度传感方案不同,本文同时采用掺Er3+光纤(EDF)与掺Yb3+光纤(YDF)制作多离子荧光强度比全光纤温度传感器,在荧光波长的选择上有更大的灵活性。实验上采用980nm波长泵浦,在25～700℃范围内,灵敏度达到0.028℃-1,比单独采用EDF或YDF通过其自身亚稳态stark能级间荧光强度比获得的测温灵敏度分别增大了3.06倍和1.07倍。(3)采用在白光LED生产中大量使用的低成本荧光粉作为温度敏感材料,利用其良好的物理化学稳定性、具有较高的发光猝灭温度等特点,创新性地将YAG:Ce荧光粉用于荧光强度比光纤温度传感器中,最高测量温度可达600℃,大大提高了传统基于稀土掺杂荧光粉传感器的测温范围。(4)创新性地将两种不同发射波长的LED荧光粉(如CaAlSiN3:Eu2+红色荧光粉与CaSiAlON:Eu2+绿色荧光粉)混合,在同一波长光源泵浦下测量不同波长的荧光强度比,克服多数LED荧光粉只有单一发射峰,无法实现不同波长荧光强度比测量的难题,为新型荧光强度比光纤温度传感器的研究提供了新的方案。(5)创新性地设计了基于稀土掺杂荧光粉的光纤测温实验系统以实现远距离非接触温度传感,实验装置小巧简便,制作成本低,通过光纤设计可测不同距离的温度,在恶劣环境下物体表面温度的非接触测量有很大的应用前景。