光纤荧光温度传感器理论和实验研究

【摘要】：温度检测不论在科学上还是在工程技术上一直是一个重要的研究领域。工业工程、生物医学监测和环境调节系统等依靠精确可靠的温度信息以保证系统有效、可靠地运行。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，这其中就包括光纤荧光温度传感器，光纤荧光温度传感系统是这个领域的前沿课题。 本研究以寻求新的荧光温度敏感材料，满足不同的应用条件，提高系统的可靠性和灵敏度为目标。系统以发光二极管作为激发光源，在系统的组态、控制方式、寿命上比传统的方法具有诸多优点。配以光纤技术构成的光纤荧光温度传感器，测量方式可以是接触式，也可以是非接触式，实现温度的在线检测。本文主要进行了如下的研究工作： （1）基于电子跃迁理论论述了荧光材料作为温度敏感介质的机理，介绍了固体激光晶体、稀土化合物和稀土离子掺杂的光纤的温度敏感特性，实验研究了稀土化合物用可见光波段的激励光激发荧光的性能；通过对了几种光源特性的比较，确定以LED作为激励光源。 （2）由于荧光较弱，以及光纤、透镜、滤光片的损耗，对系统的光学配置方式及组合进行了研究，设计了高荧光收集效率的探头形式。 （3）在时域和频域上进行了微弱荧光信号的寿命检测的研究。在频域上给出了激发光和荧光以及与温度相关两种实施方案的数学模型，对于激励光和荧光混杂的情况，确定光源的调制频率和系统采样频率的选择原则。在时域上，对荧光寿命的相敏检测技术进行了研究，提出了一种基于希尔伯特变换的相敏检测方法，建立了检测方法的数学模型，该方法省去了低通滤波器，并且对激励光泄漏有一定的抑制作用。由于激励光采用正弦波驱动，产生的荧光也是一个正弦信号，周期与激励光相同，但在相位上滞后于激励光，采用激励光和荧光互相关和混沌理论相结合的方法，对符合正弦规律的微弱的荧光信号进行检测，提高了系统的信噪比。研究了多荧光信号组合的检测原理方法，采用PRONY代数方法，不经过迭代可分解出组合曲线中的多个荧光寿命。 （4）设计了一种基于LED光源的荧光温度检测系统，给出了各个环节的传递模型和噪声模型。为了提高检测电路的分辨率，设计了一种双锁相环电路，分析论述了其电路工作原理。由微控器控制整个系统的运行。 （5）对光纤荧光温度传感系统进行了实验研究，包括几种荧光材料的吸收谱和发射谱，LED WP=5 的光谱特性，双锁相环电路的测试以及温度和荧光寿命的对应关系的实验等。