光纤荧光测温

基于红宝石的荧光光纤温度传感器

摘要：本文中提出了荧光光纤温度测量系统，分析了荧光物质的吸收和发射特性，并开发

基于红宝石的光纤温度测量探头。该系统特别适合温度测量范围为20°C

至600°C。实验中，由于其高度的分辨率和精度，这种温度测量方法被证明是有效和有用的。该系统解决了在特殊的环境和电磁干扰环境中的温度测量问题。

关键词：荧光光纤温度传感器；红宝石材料；PLD-PMSR 荧光光纤温度传感器；荧光光纤温度传感器红宝石材料；A Fluorescence optic-fiber Te

mperature Sensor Based on Ruby

Abstract: The fluorescence fiber temperature measurement system is propos ed in his paper, The characteristic of fluorescence material absorption and emission is analysised, and the optic- fiber temperature measurement probe based on ruby is developed. This system is particularly adapt to the temp erature measurement in the rang of 20ć to 600ć. During the cause of expe rimentation, this temperature measurement method is proved to be effective and useful for its highly resolution and precision. This system has resolv ed the temperature measurement problem in special environment and electr omagnetic interference environmental. Keywords-fluorescence ：optic-fiber

thermometer; ruby material; PLD-PMSR

Ⅰ.引言

除了是一个理想的珍贵宝玉石，红宝石作为激光晶体在世界上第一个激光的成功运作中的使用是众所周知的。它也是最早提出测温应用荧光寿命特性的材料[1]。Grattan 首次报道了，实际使用的红宝石在光纤荧光寿命温度计作为传感元件[2] [3]。在这种温度计系统中，LED 作为激发光源，

硅二极管用来检测荧光信号。使用该系统，测量温度从室温到170°C

以上的范围，努力扩大这种紧凑和低成本系统的测量范围，并进一步改善和扩展其性能设计....

示，R-线区有最强的辐射（694nm）。因此，一个现成的掺杂玻璃长通滤波器可被用作过滤器，如图1中的F2，在探测器中隔离荧光发射的激发光。不过，为了达到更好的隔离效果，在激光的用途设计中，图1中的F 2 被一个中心波长为694.3nm，通频带为12nm 的“现成的”带通干涉滤光片取代。

Ⅱ.该设备的描述

图1所示是这种红宝石荧光温度计的示意图，一个绿色LED 作为激发源，它可以注入中心波长为550nm 的强吸收光[4]，图2 显示的是红宝石的吸收光谱图。在红色可见光谱中，荧光发射光谱的重叠部分，绿色LED

的辐射包含弱发射峰，F1是一个短波滤波器，如图1所示，630nm 的截止波长，是用来消除LED 辐射中的这个红色的'尾巴'。很明显，荧光光谱有更长的波长，如图3所

图 1.基于红宝石的荧光寿命光纤温度计系统

F1:短波滤波器；F2:R-线区滤波器

高温光纤探针的设计

使用温度探头的新特点是采用镀金的纤维，其中 H，非常适合于达到高温下特定的应用，因为在高温区域，他们比早期工作中使用的塑料复合二氧化硅（PCS）的纤维具有更有利的特点[3]。使用专门开发的镀金技术已确保它焊接在光纤的末端，

这种牢固的安全的焊接就可制成探头，可以完全沉浸在炎热的地区进行测量。由

于光纤很小，镀金和晶体都是小肿块，所以设备的热响应较快，昂贵的材料成本保持在较低水平。其目的是不断拓宽从室温到600°C 的测量范围。

图 2：红宝石的吸收光谱在这个系统中，镀金石英光纤首先用来制作温度测量探头来测量600°C,光纤的芯径为400µm。如图 4 所示，探头是反射式配置的结构。使用时由于 LED 光源的发光强度相对较低，能够探测到的诱导荧光反应的强度可能只是几个纳瓦。虽然检测荧光反应中的一个相对微弱的信号噪声被观察到，但是，为了减小随着温度升高的荧光的强度，在较高的温度点期望一个更有利的信号噪声比。为了解决微弱的信号信噪比问题，用“相位调制”的方法测量荧光的寿命，用一个有固定频率，高品质因数的带通滤波器检测荧光信号中的宽带噪声。虽然此方法的有效性已充分证明，但是固定单一的调制频率，其测量范围是有限的，并且在高品质因数带通滤波器的参数略有漂移可能会引入相位测量误差。

图4：在这个系统中所描述的基于用红宝石作为光纤探头的荧光寿命温度计

图3：红宝石的发射光谱为了解决这个问题， PLD-PMSR 技术被应用于基于红宝石的温度计系统，如图1所示。这里，Ф是移相比，根据早些时候的讨论，随着寿命周期的转换，这个最佳值选择为3/8。

在光纤高温特性可使用的基础上发展这种高温光纤探头是可行的。普通塑料复合

二氧化硅（PSC）纤维最高工作温度被限制在150°C，但为了开采高得多的温度性能的蓝宝石类传感器材料，如红宝石，另一种类型的纤维是必要的，比如，可以在黄金涂层的形式，制造，和类型获得最高温度的能力有一个上限750°C。通过薄金涂层的硅材料上使用 PCS 纤维，这是相当大的改善。该探头由四个400 -µm 的纤维构建，使用其中两个来传输激发光，两个接收荧光妥协的灵活性和足够的光纤端面的面积。纤维由石英芯径和掺二氧化硅包覆熔融而成，数值孔径为0.22，包层与纤芯的直径比率为1:1.1[7]，一个特别的优势，这种纤维是金属涂层提供了额外的可能性，直接金属对金属密封之间的这种纤维涂层和金属胶囊含有红宝石材料。然而，纤维涂层薄，这就意味着需

第2/4页要大量的研究，制定最佳的技术实现这种联合，避免剥离涂层纤维和过热接头[ 8]。