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基于固体稀土氧化物吸收光谱特性的温度传感

王闽  
【摘要】:温度对固体稀土材料的吸收光谱特性有着显著的影响。利用固体稀土材料光谱的这种温度敏感特性来对温度这一物理量进行测量属于光学测温的范畴,吸引了越来越多学者和科研人员对这类测温方法展开研究。本文根据玻尔兹曼分布规律,用吸收峰对应强度比法对Ho_2O_3、Er_2O_3以及Nd_2O_3三种固体稀土类材料的温敏光谱数据进行了处理与分析(其中,每个材料分别选择了两个强度比进行详细的分析),确定了它们部分初态分裂的热耦合能级和部分激发态能级的位置,由对应的吸收跃迁结果得到了相应温度传感的灵敏度、相对灵敏度、分辨力、重复性等传感指标进行了计算与分析,并以Ho_2O_3为例,将固体稀土材料的光吸收强度比测温法应用于实际物体的高温测量。本文采用宽带光源卤钨灯作为Ho_2O_3、Er_2O_3以及Nd_2O_3三种材料的实验测试光源,并搭建了反射式的实验光路,使用分辨率为0.5nm的光纤光谱仪记录不同温度下的稳态吸收光谱,经过数据处理后最终得到传感特征lnR(吸收峰对应强度比取自然对数)随热力学温度的倒数1/T变化的传感方程,并对传感系统的传感性能做了简要分析,主要的实验结论如下:(1)Ho_2O_3:I(650.0nm)/I(669.0nm)的温度传感方程:lnR=-0.243+311.7*(1/T);I(465.3nm)/I(650.0nm)的温度传感方程:lnR=0.800-256.7*(1/T)。它们的分辨力分别为3.2×10~(-5)k~(-1),-4.7×10~(-5)k~(-1),重复性分别为3.6%FS,4.9%FS。(2)E_(r2)O_3:I(522.8nm)/I(539.7nm)的温度传感方程:lnR=0.023+140.7*(1/T);I(539.7nm)/I(652.6nm)的温度传感方程:lnR=0.560-271.1*(1/T))。它们的分辨力分别为5.7×10~(-5)k~(-1),-2.2×10~(-5)k~(-1),重复性分别为3.6%FS,4.9%FS。(3)Nd_2O_3:I(584.3nm)/I(738.9nm)的温度传感方程:lnR=0.621-172.8*(1/T);I(738.9nm)/I(746.6nm)的温度传感方程:lnR=-0.611+116.8*(1/T)。它们的分辨力分别为-4.1×10~(-5)k~(-1),5.1×10~(-5)k~(-1)。此外,本文把宽带荧光材料YAG:Ce(黄色荧光粉)的吸收光谱和发射光谱的谱带重心特性和峰值对应波长特性应用于温度传感,并进行了分析与比较。经数据处理给出的传感特征(Y)随温度变化(X)的传感方程以及部分传感特性的总结如下:(1)吸收光谱传感方程:Y=473.11-0.076X+0.000147X~2(谱带重心),Y=460.28-0.020X+0.000019X~2(峰值波长),其中,重心法的分辨力为3.3℃,重复性为2.1%FS。(2)发射光谱传感方程:Y=564.14+0.0199X(谱带重心),Y=542.25+0.022X(峰值波长),其中,重心法的分辨力为2.0℃,重复性为1.3%FS。从Ho_2O_3的工程应用实例中可以得到以下结论:固态稀土材料的光吸收谱温度传感能用于300℃以上的高温,同时比黑体辐射测温方法有更高的精度。以上研究发展了光测高温方法。而YAG:Ce的多功能传感实验,经上述数据分析后,可以得出结论:光谱的谱带重心频移法能够有效提高光谱测温的精度。


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