基于YSZ:Re荧光寿命测量的温度测量系统及其测试方法与应用

摘要

本发明涉及基于YSZ:Re荧光寿命测量的温度测量系统及其测试方法与应用，温度测量系统包括信号发射器、与信号发射器电连接的UV‑LED紫外光源、温度测量探针以及与温度测量探针配合使用的温度信号处理单元，该温度信号处理单元包括滤光镜、光电倍增管检测器、与光电倍增管检测器依次电连接的电阻箱及示波器，所述的温度测量探针的表面喷涂有YSZ:Re荧光层，并通过光纤分别与UV‑LED紫外光源、滤光镜相连；所述的温度测量系统用于测量航空发动机或地面燃气轮机处于工作状态下的温度。与现有技术相比，本发明具有测量温度高500‑1200℃，温度精确高的特点，根据改变温度测量探针的形状适应不同环境下的温度测量，不影响温度场，温度精度高，适用范围广。

说明书

技术领域

本发明属于无机光学材料技术领域，涉及一种基于YSZ:Re荧光寿命测量的温度测量系统及其测试方法与应用。

背景技术

现有技术中，已知的用于测量航空发动机、燃气轮机及其它高温应用温度的方法，其测量原理主要基于温度取决于电阻、热电效应(热电偶)、显色放映、气体内的音速、散射或发射的电磁热辐射的光谱分布等。用于航空发动机、燃气轮机的温度测量必须承受住极高的温度。在实际应用中，传统的热电偶在这样苛刻的条件下，会迅速老化，使用寿命大大缩短。辐射温度计可以将测量部件与高温高压的环境隔开，但是由于测量距离远，其测量精度会受到固有的限制。

随着先进航空发动机、地面燃气轮机技术的发展，在追求涡轮高效率、长寿命的前提下，航空发动机、燃气轮机温度不断提高，发动机温度是表征航空发动机工作状态是否正常的最重要的参数之一，也是飞行员和维护人员必须掌握的重要参数，所以精确有效地检测温度，是十分有意义的。在航空发动机更新换代中，高温测试技术的研究开发起到非常重要的作用。

为了完成这些任务，必须对温度测量的准确度和长期可靠性提出极高的要求。目前，可用的高温计达不到所期望的测量精度。此外，现有高温计的结构复杂，体积较大，在使用时须配备有强有力的冷却系统，其难以应用在航空发动机和燃气轮机内。

YSZ:Re(Re＝Eu,Dy等镧系稀土元素)是有效的发光材料，具有很好的光学性能，测量温度范围为500-1200℃，具有一定的热导性能。研究表明，喷涂的YSZ:Re涂层厚度越薄，测得的温度误差越小。YSZ:Re具有优异的抗腐蚀性能。氧化铝棒表面的涂层能够部分阻止发动机内部的红外辐射进入荧光信号采集系统，减少高温下红外辐射对荧光信号测量的影响。

现有的制备YSZ:Re(Re＝Eu,Dy等镧系稀土元素)荧光涂层的方法主要有电子束物理气相沉积(EB-PVD)和等离子喷涂(APS)。EB-PVD方法制备的粘结层结构均匀，综合性能好，厚度控制精确，但沉积效率低，设备昂贵，成本高且样品的尺寸不能太大。相比于EB-PVD方法，APS方法沉积效率高，制备成本低。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供种测试精度高，经济实用性好，使用寿命长，性能稳定的基于YSZ:Re荧光寿命测量的温度测量系统及其测试方法与应用，以解决现有技术中对航空发动机及其他高温应用进行温度测量中测量温度低等缺陷。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

基于YSZ:Re荧光寿命测量的温度测量系统，该温度测量系统包括信号发射器、与信号发射器电连接的UV-LED紫外光源、温度测量探针以及与温度测量探针配合使用的温度信号处理单元，该温度信号处理单元包括滤光镜、光电倍增管检测器、与光电倍增管检测器依次电连接的电阻箱及示波器，所述的温度测量探针的表面喷涂有YSZ:Re荧光层，并通过光纤分别与UV-LED紫外光源、滤光镜相连；

在工作状态下，所述的信号发射器控制UV-LED紫外光源发射出脉冲光源，在脉冲光源的作用下，温度测量探针上的YSZ:Re荧光层发出荧光信号，该荧光信号通过滤光镜被光电倍增管检测器接收，光电倍增管检测器将荧光信号转换成电流信号并传送至电阻箱，再转换成电压信号，并显示在示波器上，获得荧光衰减光谱，利用衰减方程换算成荧光寿命，再根据荧光寿命与温度关系的标准曲线即可获得温度信息。

所述的温度测量探针为表面等离子喷涂YSZ:Re荧光层的单晶氧化铝温度测量探针。

所述的单晶氧化铝温度测量探针的形状为圆柱状或圆片状。

所述的单晶氧化铝温度测量探针还可以做成类似热电偶的棒状等其它简单形状，以利于减小探针尺寸，并增加接受面积。

所述的YSZ:Re荧光层中YSZ:Re的化学式为ZrO₂+7wt％Y₂O₃+(0.1-2mol％)Re₂O₃，其中，Re为镧系稀土元素。

所述的Re优选Eu或Dy。

所述的YSZ:Re荧光层的厚度为5-50μm。

所述的单晶氧化铝温度测量探针的制备方法为：首先对单晶氧化铝依次用丙酮、酒精进行去油处理，在单晶氧化铝上进行喷砂处理，获得均匀的表面粗糙度，然后采用等离子喷涂方法，将YSZ:Re粉末喷涂在单晶氧化铝上即可。

所述的YSZ:Re粉末的粒径为40-100μm，采用反向共沉淀法或溶胶凝胶液相法制备而成。

在制备YSZ:Re粉末时，选择原料有锆源(Zr(NO₃)₄·xH₂O，x＝3)或者ZrOCl₂·8H₂O)，Y₂O₃，Re₂O₃(包括有Eu₂O₃,Dy₂O₃等镧系稀土氧化物)，硝酸和氨水。

所述的反向共沉淀法的具体步骤为：

首先使用硝酸在加热的条件下将Y₂O₃，Re₂O₃粉末溶解，待Y₂O₃，Re₂O₃粉末完全溶解后，提高加热温度将多余的硝酸分解并挥发完全，然后将Zr(NO₃)₄·xH₂O或者ZrOCl₂·8H₂O和去离子水倒入到Y(NO₃)₃和Re(NO₃)₃的混合溶液中，磁力搅拌24h使得各成分在液体中充分均匀混合，随后将混合溶液缓慢倒入到稀氨水溶液中，为了保证各个阳离子同时沉淀，稀氨水的PH值控制为9，完全沉淀后静置24h后将沉淀过过滤，并采用去离子水合乙醇清洗3-4遍，然后在120℃下干燥24h，最后在950℃下煅烧24h获得荧光粉末。

溶胶凝胶液相法的具体步骤为：

首先使用硝酸在加热的条件下将Y₂O₃，Re₂O₃粉末溶解，待Y₂O₃，Re₂O₃粉末完全溶解后，提高加热温度将多余的硝酸分解并挥发完全，随后在混合溶液中加入一定量的螯合剂柠檬酸，柠檬酸与螯合的金属离子的摩尔比为2:1，配置成A溶液；将Zr(NO₃)₄·xH₂O或者ZrOCl₂·8H₂O溶解于去离子水中，并加入分散剂聚乙二醇(其中，分散剂聚乙二醇的加入量为：每合成5g的最终荧光粉末，加入1g的分散剂)，配置成B溶液；将A溶液缓慢倒入到B溶液中，然后在水浴80℃中加热形成黄色透明的溶胶，溶胶在120℃下干燥获得黄色凝胶，最后在950℃下煅烧24h同样获得荧光粉末；获得荧光粉末。

将合成的YSZ:Re粉末通过手工或者喷雾干燥法造粒，加入PVA粘结剂，干燥，过筛，从而得到流动性好，适宜进行等离子喷涂的粉末。

所述的喷砂处理的条件为：喷砂压力为0.1-0.7MPa，喷砂颗粒为粒径为16-120目的Al₂O₃颗粒；

所述的等离子喷涂方法为：控制基体的温度为200-600℃，喷枪与基体的间距为90-250mm，喷枪移动速度为300-1000mm/s，送粉速度为10-70g/min，送粉气流为0.5-1.2L/min，喷涂电压为100-180V，喷涂电流为200-250A，氩气流速为40-120L/min，氢气流速为15-45L/min。

基于YSZ:Re荧光寿命测量的温度测量系统的测试方法，该方法具体包括以下步骤：

(1)通过信号发射器控制UV-LED紫外光源发射出脉冲宽度为1-5ms，脉冲周期为10-1000ms的脉冲光源；

(2)在脉冲光源的作用下，温度测量探针上的YSZ:Re荧光层发出荧光信号，该荧光信号通过滤光镜被光电倍增管检测器接收；

(3)光电倍增管检测器将荧光信号转换成电流信号并传送至电阻箱，并通过电阻箱将电流信号转换为电压信号，将电压信号放大，显示在示波器上，获得荧光衰减光谱；

(4)通过对荧光衰减光谱利用衰减方程，获得荧光寿命；

(5)根据荧光寿命与温度关系的标准曲线获得温度信息。

作为优选的技术方案，步骤(5)中获得的荧光寿命曲线为1-512次曲线的叠加。

基于YSZ:Re荧光寿命测量的温度测量系统的应用，该系统用于测量航空发动机或地面燃气轮机处于工作状态下的温度。

本发明中，所述的滤光镜的选择条件为：当Re为Eu时，采用570nm的高通滤光镜和625nm的低通滤光镜；当Re为Dy时，采用550nm的高通滤光镜和600nm的低通滤光镜。

所述的UV-LED紫外光源波长的选择条件为：当Re为Eu时，UV-LED紫外光源波长为532、405或385nm；当Re为Dy时，UV-LED紫外光源波长为355，385或405nm。

所述的UV-LED紫外光源的功率为0-10W。

所述的电阻箱的电阻调节范围为100-2000Ω。

在实际使用时，将表面沉积有YSZ:Re荧光层的单晶氧化铝另一端抛光连接光纤耦合器并连接光纤，一路光纤依次连接UV-LED紫外光源和信号发射器，另一路光纤依次连接滤光镜、光电倍增管检测器(即PMT检测器)、电阻箱、示波器。其中，光源的信号发射器也与示波器相连，从示波器上也可以得到光源信号谱线。信号发射器使得UV-LED紫外光源的连续光源变为脉冲光源，脉冲宽度为1-5ms，脉冲周期为10-1000ms。

将温度测量探针安装于需要测量温度的位置，打开UV-LED紫外光源，调节光源功率，打开PMT检测器，调节电阻箱的电阻值，改变示波器光谱累积次数1-512次，获得光滑的荧光衰减曲线，采用软件拟合衰减曲线，得到荧光寿命，对照YSZ:Re荧光寿命与温度的标准曲线得到温度值。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)由于采用表面等离子喷涂YSZ:Re荧光层的单晶氧化铝温度测量探针，测量温度范围宽，可用于测量500-1200℃的高温，灵活性好，可根据改变单晶氧化铝的形状以适应不同环境下的温度测量，从而不影响温度场，温度精度高，适用范围广；

2)可用于发动机涡轮、燃烧室内部等十分恶劣的测试环境中，使用寿命长，稳定性好，测量简便快捷，可用于实时测量航空发动机、地面燃气轮机的温度，从而检测航空发动机或地面燃气轮机的工作状态，经济实用，便于工业化生产，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明温度测量系统结构示意图；

图2为本发明温度测量探针结构示意图；

图3为等离子喷涂YSZ:Re荧光层横截面的背散射扫描显微谱图；

图4为不同温度下YSZ:Re荧光寿命标准曲线图；

图中标记说明：

1—信号发射器、2—UV-LED紫外光源、3—温度测量探针、4—滤光镜、5—光电倍增管检测器、6—电阻箱、7—示波器、8—YSZ:Re荧光层、9—光纤、10—光纤耦合器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1-2所示，基于YSZ:Re荧光寿命测量的温度测量系统，该温度测量系统包括信号发射器1、与信号发射器1电连接的UV-LED紫外光源2、温度测量探针3以及与温度测量探针3配合使用的温度信号处理单元，该温度信号处理单元包括滤光镜4、光电倍增管检测器5、与光电倍增管检测器5依次电连接的电阻箱6及示波器7，温度测量探针3的表面喷涂有YSZ:Re荧光层8，并通过光纤9分别与UV-LED紫外光源2、滤光镜4相连；

其中，温度测量探针3为表面等离子喷涂YSZ:Re荧光层8的单晶氧化铝温度测量探针。YSZ:Re荧光层8中YSZ:Re的化学式为ZrO₂+7wt％Y₂O₃+(0.1-2mol％)Re₂O₃，其中，Re为Eu。YSZ:Re荧光层8的厚度为5μm。

本实施例中，单晶氧化铝温度测量探针的形状为圆柱状，单晶氧化铝温度测量探针的制备方法为：首先对单晶氧化铝依次用丙酮、酒精进行去油处理，然后采用粒径为120目的Al₂O₃颗粒对单晶氧化铝进行喷砂处理，获得均匀的表面粗糙度(粗糙度的范围为5μm)，然后采用等离子喷涂方法，将YSZ:Re粉末喷涂在单晶氧化铝上即可。

其中，喷砂处理的条件为：喷砂压力为0.5MPa。

等离子喷涂方法通过高温等离子束流对陶瓷颗粒进行加热熔化或者半熔化，然后快速将其喷涂至基体表面形成具有层状结构的涂层。喷涂前须对基体预热4次。具体参数为：控制基体的温度为200℃，喷枪与基体的间距为150mm，喷枪移动速度为300mm/s，送粉速度为40g/min，送粉气流为0.8L/min，喷涂电压为110V，喷涂电流为220A，氩气流速为60L/min，氢气流速为25L/min。

本实施例中，YSZ:Re粉末粒径为40μm，采用反向共沉淀法制备而成。在制备YSZ:Re粉末时，选择原料有锆源(Zr(NO₃)₄·3H₂O或者ZrOCl₂·8H₂O)，Y₂O₃，Eu₂O₃，硝酸和氨水。

反向共沉淀法的具体步骤为：

首先使用硝酸在加热的条件下将Y₂O₃，Re₂O₃粉末溶解，待Y₂O₃，Re₂O₃粉末完全溶解后，提高加热温度将多余的硝酸分解并挥发完全，然后将Zr(NO₃)₄·3H₂O或者ZrOCl₂·8H₂O和去离子水倒入到Y(NO₃)₃和Re(NO₃)₃的混合溶液中，磁力搅拌24h使得各成分在液体中充分均匀混合，随后将混合溶液缓慢倒入到稀氨水溶液中，为了保证各个阳离子同时沉淀，稀氨水的PH值控制为9，完全沉淀后静置24h后将沉淀过过滤，并采用去离子水合乙醇清洗3-4遍，然后在120℃下干燥24h，最后在950℃下煅烧24h获得荧光粉末。

将合成的YSZ:Re粉末通过手工或者喷雾干燥法造粒，加入PVA粘结剂，干燥，过筛，从而得到流动性好，适宜进行等离子喷涂的粉末。

本实施例中，滤光镜4选择570nm的高通滤光镜和625nm的低通滤光镜。UV-LED紫外光源2的波长为405nm，光源功率为8w。电阻箱6的电阻设为2000Ω。

在实际使用时，将表面沉积有YSZ:Re荧光层8的单晶氧化铝另一端抛光连接光纤耦合器10并连接光纤9，一路光纤9依次连接UV-LED紫外光源2和信号发射器1，另一路光纤9依次连接570nm的高通滤光镜、625nm的低通滤光镜、光电倍增管检测器5(即PMT检测器)、电阻箱6、示波器7。其中，光源的信号发射器1也与示波器7相连，从示波器7上也可以得到光源信号谱线。信号发射器1使得UV-LED紫外光源2的连续光源变为脉冲光源。

本实施例温度测量系统在工作状态下，信号发射器1控制UV-LED紫外光源2发射出脉冲光源，在脉冲光源的作用下，温度测量探针3上的YSZ:Re荧光层8发出荧光信号，该荧光信号通过滤光镜4被光电倍增管检测器5接收，光电倍增管检测器5将荧光信号转换成电流信号并传送至电阻箱6，再转换成电压信号，并显示在示波器7上，获得荧光衰减光谱，利用衰减方程换算成荧光寿命，再根据荧光寿命与温度关系的标准曲线即可获得温度信息。

基于YSZ:Re荧光寿命测量的温度测量系统的测试方法，该方法具体包括以下步骤：

(1)通过信号发射器1控制UV-LED紫外光源2发射出脉冲宽度为2ms，脉冲周期为100ms的脉冲光源；

(2)在脉冲光源的作用下，温度测量探针3上的YSZ:Re荧光层8发出荧光信号，该荧光信号通过滤光镜4被光电倍增管检测器5接收；

(3)光电倍增管检测器5将荧光信号转换成电流信号并传送至电阻箱6，并通过电阻箱6将电流信号转换为电压信号，将电压信号放大，显示在示波器7上，获得荧光衰减光谱；

(4)通过对荧光衰减光谱利用衰减方程，获得荧光寿命；

(5)根据荧光寿命与温度关系的标准曲线获得温度信息。

步骤(5)中获得的荧光寿命曲线为1-512次曲线的叠加。

本实施例温度测量系统可用于测量航空发动机或地面燃气轮机处于工作状态下的温度。

实施例2

首先利用反向共沉淀方法制备YSZ:Dy粉末(粒径为60μm)，然后将单晶氧化铝进行清洗、喷砂处理。通过等离子喷涂技术制备10μm的YSZ:Dy荧光层8。喷涂参数：喷涂电流为400A，电压为150V，Ar流量为45L/min，H₂流量为45L/min，喷枪与基体距离为150mm，送粉量为5g/min。将喷涂上YSZ:Dy荧光层8的单晶氧化铝连接光纤9，并分为两个输出。一个与波长为355nm的UV-LED紫外光源2、信号发射器1相连，信号发射器1使连续光源变为脉冲光源，脉冲宽度为1ms，脉冲周期为100ms。一个连接550nm高通滤光镜、600nm的低通滤光镜、电阻箱6、示波器7，并将信号发射器1连入示波器7的通道。电阻箱6设为2000Ω，示波器7累积次数512次。光源功率为10w。

本实施例中，滤光镜4为550nm的高通滤光镜和600nm的低通滤光镜，UV-LED紫外光源2的波长为405nm。其余同实施例1。

图3为本实施例等离子喷涂YSZ:Dy荧光层8横截面的背散射扫描显微谱图。

实施例3

首先利用溶胶凝胶液相法制备YSZ:Eu粉末(粒径为80μm)，然后将单晶氧化铝进行清洗、喷砂处理。通过等离子喷涂技术制备10μm的YSZ:Eu荧光层8。喷涂参数：喷涂电流为400A，电压为150V，Ar流量为60L/min，H₂流量为20L/min，喷枪与基体距离为150mm，送粉量为5g/min。将喷涂上YSZ:Eu荧光层8的单晶氧化铝连接光纤9，并分为两个输出。一个与波长为385nm的UV-LED紫外光源2、信号发射器1相连，信号发射器1使连续光源变为脉冲光源，脉冲宽度为1ms，脉冲周期为100ms。一个连接570nm高通滤光镜、625nm的低通滤光镜、电阻箱6、示波器7，并将信号发射器1连入示波器7的通道。电阻箱6设为1000Ω，示波器7累积次数512次。光源功率为10w。

本实施例采用溶胶凝胶液相法制备YSZ:Eu粉末的具体步骤为：

首先使用硝酸在加热的条件下将Y₂O₃，Eu₂O₃粉末溶解，待Y₂O₃，Eu₂O₃粉末完全溶解后，提高加热温度将多余的硝酸分解并挥发完全，随后在混合溶液中加入一定量的螯合剂柠檬酸，柠檬酸与螯合的金属离子的摩尔比为2:1，配置成A溶液；将Zr(NO₃)₄·3H₂O或者ZrOCl₂·8H₂O溶解于去离子水中，并加入分散剂聚乙二醇(其中，分散剂聚乙二醇的加入量为每合成5g的最终荧光粉末，加入1g的分散剂)，配置成B溶液；将A溶液缓慢倒入到B溶液中，然后在水浴80℃中加热形成黄色透明的溶胶，溶胶在120℃下干燥获得黄色凝胶，最后在950℃下煅烧24h同样获得荧光粉末；获得荧光粉末。

将合成的YSZ:Eu粉末通过手工或者喷雾干燥法造粒，加入PVA粘结剂，干燥，过筛，从而得到流动性好，适宜进行等离子喷涂的粉末。

本实施例中，UV-LED紫外光源2的波长为385nm。其余同实施例1。

图4为实施例2、实施例3制得的YSZ:Dy粉末、YSZ:Eu粉末在不同温度下的荧光寿命标准曲线图。荧光寿命测温具有测量温度高，响应速度快，使用简单，应用环境多变，高的温度测量准确性等特点。

实施例4

本实施例中，温度测量探针3为表面等离子喷涂YSZ:Re荧光层8的单晶氧化铝温度测量探针。YSZ:Re荧光层8的厚度为50μm。Re为Eu。

本实施例中，单晶氧化铝温度测量探针的形状为圆片状，单晶氧化铝温度测量探针的制备方法为：首先对单晶氧化铝依次用丙酮、酒精进行去油处理，然后采用粒径为16目的Al₂O₃颗粒对单晶氧化铝进行喷砂处理，获得均匀的表面粗糙度(粗糙度的范围为15μm)，然后采用等离子喷涂方法，将YSZ:Re粉末(粒径为100μm)喷涂在单晶氧化铝上即可。

其中，喷砂处理的条件为：喷砂压力为0.7MPa。

等离子喷涂方法通过高温等离子束流对陶瓷颗粒进行加热熔化或者半熔化，然后快速将其喷涂至基体表面形成具有层状结构的涂层。喷涂前须对基体预热2次。具体参数为：控制基体的温度为600℃，喷枪与基体的间距为250mm，喷枪移动速度为1000mm/s，送粉速度为70g/min，送粉气流为1.2L/min，喷涂电压为180V，喷涂电流为250A，氩气流速为120L/min，氢气流速为45L/min。

本实施例中，UV-LED紫外光源2的波长为532nm，光源功率为10w。电阻箱6的电阻设为100Ω。

其余同实施例1。

实施例5

本实施例中，温度测量探针3为表面等离子喷涂YSZ:Re荧光层8的单晶氧化铝温度测量探针。YSZ:Re荧光层8的厚度为40μm。Re为Dy。

本实施例中，单晶氧化铝温度测量探针的形状为类似热电偶的棒状，单晶氧化铝温度测量探针的制备方法为：首先对单晶氧化铝依次用丙酮、酒精进行去油处理，然后采用粒径为80目的Al₂O₃颗粒对单晶氧化铝进行喷砂处理，获得均匀的表面粗糙度(粗糙度的范围为1μm)，然后采用等离子喷涂方法，将YSZ:Re粉末(粒径为50μm)喷涂在单晶氧化铝上即可。

其中，喷砂处理的条件为：喷砂压力为0.1MPa。

等离子喷涂方法通过高温等离子束流对陶瓷颗粒进行加热熔化或者半熔化，然后快速将其喷涂至基体表面形成具有层状结构的涂层。喷涂前须对基体预热3次。具体参数为：控制基体的温度为320℃，喷枪与基体的间距为90mm，喷枪移动速度为300mm/s，送粉速度为10g/min，送粉气流为0.5L/min，喷涂电压为100V，喷涂电流为200A，氩气流速为40L/min，氢气流速为15L/min。

本实施例中，UV-LED紫外光源2的波长为385nm，光源功率为2w。电阻箱6的电阻设为800Ω。

其余同实施例1。

实施例6：

本实施例与实施例5基本相同，不同之处在于，UV-LED紫外光源2的波长为355nm，光源功率为4w。电阻箱6的电阻设为300Ω。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。