浅议荧光寿命光纤温度传感器

杨宏志

摘 要：荧光寿命光纤温度传感器具有许多优点，是光纤温度传感器领域的研究热点，国内外对此做了大量研究。针对当前光纤温度传感器研究现状，980nm光泵浦上转换荧光寿命式光纤温度传感器的研究具有一定的创新性和实用价值。

关键词：温度；荧光寿命；光纤温度传感器

一、课题国内外研究现状及研究主要成果

温度，作为最基本的物理量之一，在工业生产、生活及科学研究等各方面都有着重要作用。热力学、医学、化学、冶金、自动化控制等学科中所涉及的众多问题都与温度有密切关系。精确的测定温度已经成为各个学科的共同需要与追求。

荧光光纤温度传感器因为其可靠性高、绝缘性能好、抗电磁干扰强、重复性好、响应速度快等诸多优点，受到人们的广泛关注。稀土发光荧光寿命与温度的关系是荧光光纤温度传感器的基本测温依据，只要测定出稀土发光荧光寿命与温度的关系，就能制作出以相应荧光材料作为温度敏感探头的荧光光纤温度传感器。荧光光纤温度传感器一直是光纤传感器的研究热点。

原理：荧光材料（如掺杂稀土离子的晶体）在受到激励光的照射后，其内部原子的外层电子吸收了光子，从基态低能级跃迁到激发态高能级，而当电子从高能级跃迁回到低能级时，将会辐射出荧光。激励光消失之后，荧光材料将持续一段时间发射荧光，通常荧光强度以指数的形式衰减，其衰减曲线如图1-1所示。

图1-1 荧光衰减曲线

如图1-1所示，荧光寿命是荧光信号从I0衰减为I0/e时的时间，荧光寿命与温度存在确定的函数关系。只要测得荧光寿命与温度的关系曲线，就能通过测量荧光寿命得出对应的温度。

荧光测温的工作机理是建立在光致发光这一基本物理现象上。所谓光致发光是一种光激发导致光发射现象。就是当材料由于受紫外、可见光或红外区的光激发所产生的发光现象。因为出射的荧光参数与温度有一一对应关系，通过检测其荧光强度或荧光寿命来得到所需的温度的。强度型荧光光纤传感器受光纤的微弯曲、耦合、散射、背反射影响，造成强度扰动，很难达到准确度。荧光寿命型传感器可以避免上述缺点，因此是采用的主要模式。荧光寿命的测量是测温系统的关键。

国外对于稀土发光荧光寿命与温度关系的研究起步较早，最早在1984年Th.Bosselmann等人就研究了掺杂铬的Lu（Crx

All-x）3（BO3）4晶体的荧光寿命与温度的关系，并以此为基础设计出了荧光光纤温度传感器。在过去的近三十年时间里，国外对于稀土发光荧光寿命与温度关系的研究一直保持着较高的热度。各大研究机构、科技公司争相报道了自己的研究成果及相应产品。美国密西西比州立大学用一种商用的环氧胶做温度指示f含有多环芳烃化合物：PAHs。PAHs在用紫外光激发时发荧光。荧光的强度随环氧胶周围温度的升高而减小.该传感器可监测20℃～100℃范围内的温度。日本东洋大学根据Tb：Si0，和Tb：YAG的光致发光（PL）谱与温度有关，将其制成光纤温度传感器。在300～1200K的温度下，Tb：Si0，的PL峰值在540nm时的光强随温度的升高单调减小。Tb：YAG晶体的PL谱的形状随温度变化。韩国汉城大学发现l0cm长的Ybn、E一双掺杂光纤在915nm处，两荧光强度的比值在20℃～300℃间与温度成指数关系。这种双掺杂系统对于测量苛刻环境的温度非常有用。从整体上讲，国外主要的研究方向是高精度、高灵敏度、高速度及低成本等。

国内对于稀土发光荧光寿命与温度关系的研究相对落后。由于其所涉及的学科较多、难度较大，参与研究的人群主要集中在几所知名大学及研究机构。目前少有成熟的产品发布。目前国内有代表性的荧光光纤温度传感器有：华南理工大学提出的一种红宝石光纤温度传感器。福州大学提出激励光中心波长为395nm、荧光主峰中心波长为620nm、荧光寿命为毫秒级别的Eu化合物作为本设计的荧光材料的光纤温度传感器。清华大学电子工程系利用半导体GaAs材料对光的吸收随温度变化的原理，研制出测温范围：0℃～150℃，分辨率：0.5℃的光纤温度传感器。燕山大学设计了一种利用荧光波分和时分多路传输技术.通过检测红宝石晶体的荧光强度实现温度测量的系统，该系统的测温范围：30℃～160℃，分辨率：0.5℃。海南大学用激光加热基座法生长出端部掺Cr的蓝宝石荧光光纤传感头。该传感器的测温范围：20℃～450℃，分辨率：1℃。中北大学用一种镀有陶瓷薄膜的蓝宝石光纤作为传感器的瞬态高温测试系统，该系统的测温范围：1200℃～2000℃，分辨率：1℃。

目前，国内荧光光纤温度传感器的市场主要被国外产品占领。国内在这一领域的研究还比较薄弱——对荧光寿命与温度关系的研究大概始于二十世纪八十年代末期，而且，主要集中在国内的几所高校。

2011年福州大学物信学院林燕金在导师黄衍堂教授指导下，研究了稀土发荧光寿命与温度关系。该研究通过多次测定100K到400K的温度范围内稀土荧光粉样品的荧光寿命与温度的关系发现：稀土发光荧光寿命与温度有着一一对应的关系；随着温度的上升，荧光寿命单调缩短；不同时间测得的相同温度下的荧光寿命完全相同，具有良好的可重复性。此外，该研究还测定了稀土发光荧光光强与温度的关系：随着温度的升高荧光光强单调减弱。该研究还在上述基础上设计了一种荧光光纤温度传感器，并给出了相应的稀土荧光粉热敏探头、光路、电路及荧光寿命算法的解决方案。其光路系统实物图如下：

林燕金同学设计的光路系统对于980nm光泵浦上转换荧光寿命式光纖温度传感器的研究有较强的借鉴意义。

此外，林燕金同学针对实际测量中，由于荧光粉内部温度无法完全均匀、发射荧光的能级的Stark开叉、荧光物质中有多条能级辐射荧光等诸多因素都会导致荧光衰减曲线的非单指数性，详尽分析了从采样到的荧光衰减曲线上提取出荧光寿命的五种方法：直接法；差值比值法；积分比值法一；积分比值法二；积分比值法三。在此基础上，他还创造性提出了分段测量、计算的方法。

林燕金同学把他的研究最终研制成产品。他研究中提出的实践平台、研究思想及方法对980nm光泵浦上转换荧光寿命式光纤温度传感器的研究更是有很强的指导意义。

国内外已经有许多科研机构、科技公司、生产厂商将荧光寿命与温度关系应用到生产生活中，制作出荧光光纤温度传感器。虽然国内在这方面的研究、生产还比较落后，但是也已经走过了起步阶段。浙江大学、大连理工、西安光机所等科研单位为我们的后续发展奠定了重要的基础和积累了宝贵的经验。

二、存在问题不足

目前的荧光寿命式光纤温度传感器主要存在的问题有：

（1）激发光采用紫外光，如396nm、365nm波长，这个波段对石英光纤来说损耗较大，这样为得到较强的荧光信号就必须采用较粗直径的光纤或采用光纤束，光纤材料费用在这种光纤温度传感器中所占的比例较大。（2）温度测量的准确度较低，一般在1--2°C。（3）测温模块一般都需要进行现场校正。

三、发展趋势

从目前国内外的研究现状和市场对荧光光纤温度传感器的需求来看，荧光光纤温度传感器将沿着更高确准度、更快响应速度、更大测温范围、更长测温距离的方向发展。这就对荧光寿命与温度关系的测定精度提出了更高的要求：因为只有从荧光寿命与温度关系上入手，才能解决荧光光纤温度传感器的精度问题。同时也对更新更快更准确的荧光寿命检测技术提出了要求，只有检测方式改进，才能解决荧光光纤温度传感器的稳定性和测量速度的问题。

综上，世界各国的研究机构都设计过各种荧光寿命式光纤温度传感器，但比较集中采用激发光激励稀土材料，产生下转换发荧光的方式，通过测量荧光寿命与温度的对应关系的原理进行测温，而采用红外光作为激励光，激发稀土材料，产生上转换荧光之方法的较少。由于下转换方法中，激励光在常用光纤（如石英材料）中损耗比较大，不能适应远距离测量。而且因为传输损耗大，光纤直径大，成本较高。如果能找到一种适当的稀土材料，利用上转换方法研发荧光寿命式光纤温度传感器，将具有新意义。

而采用980nm光泵浦上转换荧光来设计光纤温度传感器，就是基于这一思路的具有一定创新性意义的荧光寿命式光纤温度传感器。因为980nm激光在光纤中传输损耗相比395nm紫光小，从而可以减少传输光纤直径，能降低光纤温度传感器的成本。同时，这类光纤温度传感器光纤的长度可以增长，能试验冶金、电力等远距离测温环境。

参考文献：

[1] 勒伟，廖延彪，张志鹏.导波光学传感器：原理与技术.科学出版社，1998：217-249.

[2] 叶林华，沈忠平，赵渭忠等，基于荧光衰减测量的蓝宝石光纤温度计.光电子激光，2002，138：773-776.

[3] Grattan KTV，SunT.Fiber optic sensor technology：an overvie

w.Sensors and Actuators，2000，（82）：40-61.

[4] 王玉田，胡俏麗，石军彦.基于荧光机理的光纤温度测量技术的研究.光学学报，2010，3（3）：655-659.

[5] 魏泽鼎，郝琳，郑惠萍.基于单片机的荧光寿命