荧光寿命光纤测温系统及其信号处理的研究

摘要

在测量科学和工业过程控制中，温度是最重要的被测参数之一。许多应用领域面临的特殊环境会对温度测量造成一些实际的困难，特别在一些难以接近或恶劣的环境，如射频辐射或其它电磁噪声干扰环境下，需要光学传感器进行温度测量，其中荧光光纤温度传感器以其抗电磁干扰、体积小、传输损耗低、耐腐蚀等优点成为这个领域的前沿课题。 本文基于光致发光理论论述了几种荧光材料的发光机理，分析了荧光材料的温度特性，论述了荧光测温法的基本原理及特点。对激发光源的特性以及光信号传输部分，包括光源与光纤、光纤与敏感单元(探头)、光纤与光探测器的耦合特性进行分析。 阐述了荧光寿命的基本原理，研究了荧光寿命的脉冲法和相位调制法两种检测方法。本文采用锁相法检测相位的方法来检测荧光寿命。重点介绍锁相检测理论，对锁相环路的基本概念、环路的基本组成与数学模型等作了详细的研究。 在对国内外研究现状进行深入分析的基础上，本文设计了一套以锁相环技术为核心包括硬件和软件两个部分的荧光光纤温度测量系统。根据273～423 K的测温范围，选择了合适的敏感材料，并选择与之匹配的激励光源。设计了高收集效率的荧光探头。对光电探测器、前置放大电路、滤波电路、锁相环等电路进行详细分析和设计。本系统采用MSP430单片机对锁相环输入信号进行处理，以及用单片机来实现荧光寿命的检测，温度计算以及显示的功能。 本文对LED吸收光谱进行测试；对系统的误差进行了分析；对红宝石晶体进行了温度和寿命关系的实验，得到了较高的测量精度和分辨率。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1光纤温度传感器的发展概况

1.2荧光光纤温度传感器的研究现状

1.2.1荧光光纤温度传感器的分类

1.2.2荧光光纤温度传感器的发展现状

1.3课题研究的目的和意义

1.4课题来源及主要研究内容

1.4.1课题来源

1.4.2主要研究内容

第2章荧光光纤传感器的测温机理及特性分析

2.1引言

2.2荧光产生机理及其温度特性

2.2.1光致发光原理

2.2.2荧光的温度特性

2.3荧光材料

2.3.1固态激光材料

2.3.2稀土材料

2.4荧光激发光源

2.4.1半导体光源

2.4.2氙灯

2.5光电探测器原理

2.6光纤传输及光信号耦合

2.6.1光纤的传输损耗和色散特性

2.6.2光纤与传感器的耦合

2.7本章小结

第3章荧光寿命测温的锁相检测理论

3.1引言

3.2荧光寿命基本理论

3.3荧光寿命的锁相检测理论

3.3.1微弱信号检测技术

3.3.2相关检测

3.3.3锁相检测

3.4锁相环基本原理

3.4.1环路组成

3.4.2环路模型分析

3.4.3环路噪声分析

3.5本章小结

第4章荧光光纤温度测量系统设计

4.1引言

4.2系统总体方案设计

4.3敏感材料的选择

4.4光源及驱动电路

4.5荧光光纤探头的设计

4.6光电探测器的设计

4.6.1光电探测器及前置放大电路

4.6.2前置放大电路噪声分析

4.7滤波电路

4.8延时电路与除法电路

4.9锁相环的设计

4.10单片机系统设计

4.10.1 MSP430单片机简介

4.10.2单片机软件设计

4.11本章小结

第5章系统试验研究及误差分析

5.1 LED光谱特性测试

5.2系统误差分析

5.3试验数据与分析

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

作者简介