光纤荧光接触式测温系统研究及实现

孙 岩

（福建省计量科学研究院，福州 350003）

在科学实验研究和工业生产控制当中，对温度的检测都尤为重要，其不仅反应了被测量参数，还关系着其他相关物理量信息以及整个生产控制的运行，因此对温度的测量要求在不断提高。在当前常用的测温方法当中，热电偶、热电阻以及其他类型的温度传感器，通过测量传递电信号来获得被测量，在高电压、大电流的工作环境中易受到影响[1-2]。红外测温仪非接触式测温方法需要知道被测物体的发射率，对测量环境也有很高的要求[2]。光纤荧光测温技术的发展，为高电压、强电磁干扰等恶劣环境下的测温提供了可能。

光纤荧光测温技术具有电绝缘、耐高压、安全性能高等优点，同时光纤体积小可弯曲，便于安装使用[3]。本文设计研究的光纤荧光寿命式温度检测系统，首先可以解决热电阻类传感器测温方法的局限，使系统应用于更广泛的测温领域。其次系统光路以及电路的优化设计考虑到商品化生产的需求，能够实现集成化使测温系统易于实现。同时，数据处理方法的研究能够实现荧光寿命的误差补偿，从而提高测温系统的检测精度和稳定性。

1 荧光测温机理

荧光是一种光致发光现象，由入射光照射发光材料外部产生[4]。在发光材料分子吸收激励光光能后，光子的能量使原子核周围的一些电子发生能级跃迁，从基态跃迁至激发态。激励光消失后，激发态电子在重新回到基态的过程中以荧光的形式自发辐射出多余能量，产生荧光余辉[5-6]。荧光余辉曲线的衰减规律可以用下式表示：

式中，I(t)为荧光强度；I0为激励光关断时荧光信号的初始光强；τ 为荧光寿命；t为测量时间。根据荧光能级理论以及玻尔兹曼分布定律，得到荧光寿命与温度信息如下所示：

式中， ΔE为能级差；RE、RT、k为常数；T为绝对温度。可见荧光寿命τ 随温度 T的变化而改变，呈反比关系[7]。因此，可以通过采样荧光余辉曲线得到荧光寿命信息，从而实现温度的检测。

2 系统流程设计

依据光纤荧光寿命式测温方法的原理分析，可以实现光纤荧光测温系统的优化设计。测温系统主要由光路部分、电路部分以及数据分析部分构成，总体结构流程图如图1所示。

图1 荧光测温系统结构流程图

根据图1可知，荧光测温系统的具体工作原理为：光纤荧光传感探头接触温度测量点，系统硬件电路中的光源驱动电路来驱动激励光源发出激励光。激励光通过滤光片进行光信号处理后，进入光纤传至包含荧光材料的传感探头处。荧光材料受到激发后发出的荧光按照原光纤路径传至滤光片，经过滤光后通过光电转换电路进行光电转换，产生的电流信号再依次通过放大电路及滤波电路处理后采样得到较平稳的电信号，此电信号即为荧光余辉曲线。余辉曲线经过寿命检测算法等数据算法处理后得到荧光寿命与温度拟合关系，从而转化得到被测温度。

3 系统硬件设计

3.1 光路设计

光路的设计主要涉及传感探头设计和光信号传输设计，关系到信号的传输效率、传输损耗，以及光纤荧光温度传感器的体积等[8]。光路设计图如图2所示。

图2 光路传输设计

图2 中，传感探头的设计将荧光材料与光纤紧密连接，实现受激信号的传输功能。其中荧光材料选择了一种含铕元素的荧光粉，光纤选择石英光纤。设计的传感探头满足抗震、抗压、抗化学腐蚀等实际应用性能，并且体积轻巧，结构严密。滤光片 1是薄膜干涉滤光片，起到的是分光片的作用，能够使激励光和荧光分离，即激励光只能通过滤光片 1反射到凸透镜上，而荧光可以透过滤光片 1。滤光片2的作用是滤除荧光中掺杂的少量紫外激励光和杂散光，且将荧光直接反射到光电探测器上。此光路优化设计占用空间小，器件放置容易，且能够满足低漏光、信号高效传输的标准。

3.2 电路设计

电路设计主要由光源驱动电路、光电转换电路、放大及滤波电路组成。

1）光源驱动电路

激励光源的激发光谱范围需要与荧光材料吸收光谱相匹配。根据选择的稀土荧光材料的光谱特性，采用紫外发光二极管作为系统的激励光源[9]。可调整光强的光源驱动电路如图3所示。经过三极管放大的周期性脉冲电流激励紫外LED产生脉冲波，从而得到周期性荧光余辉曲线。

图3 光源驱动电路

2）光电转换电路

光纤荧光测温系统中，选择硅光电二极管作为光电转换器件，光信号转换后的电流信号很小，因此还需要通过反馈电阻与运算放大器的连接实现I/V放大转换。由于放大转换电路中光电二极管和运算放大器工作时会产生热噪声和散粒噪声[10]，会引起光电转换信号的噪声干扰，因此设计光电转换电路时还需要注意反馈电阻、运算放大器等元器件的选择。光电转换电路如图4所示。

图4 光电转换电路

3）放大滤波电路

光电转换电路中由于要实现电流-电压的转换且电流信号较微弱，电路需要有较高的信噪比使信号尽量不失真，所以反馈电阻受到限制不能过大，致使转换后的电压信号依旧很小，不能满足系统信号的采样要求。因此在实际系统搭建中，需要通过二级电压放大电路对电压信号进行进一步放大，并配合滤波环节对信号进行处理，消除系统中高频噪声的干扰以提高系统信噪比。

4 系统数据处理

根据荧光寿命式测温原理可知，与温度直接相关的参数为荧光寿命，因此得到余辉曲线后需要通过数据处理获得准确的荧光寿命，从而实现温度的测量。

4.1 寿命检测算法

实际工程应用中，光纤荧光测温系统存在空间杂散光以及光电转换器件暗电流的影响，会对测得的荧光余辉曲线引入直流分量[11]，因此实际荧光余辉曲线应表示为以下形式：

式中，I0为荧光初始光强；Id为直流分量；τ 为荧光寿命。由式（3）可知当采样时间t趋近无穷远时，采样到的被测信号I(t)接近直流分量Id，因此系统采样时可以在激励光关断较长时间后，测得输出信号作为直流分量。

目前常用的荧光寿命检测算法有傅里叶法、最小二乘法、积分法等，通过仿真实验分析，适合本系统的检测算法为积分法。积分法需要先将采样到的余辉曲线减掉直流分量的影响，再对其进行积分，如下式：

4.2 寿命补偿方法

理论上认为荧光余辉曲线呈指数形式衰减，但是在实际测温系统应用过程中发现，由于硬件电路中小惯性环节的影响，导致采样的荧光余辉曲线呈非线性变化。因此，需要对荧光寿命进行补偿以消除非线性影响。

1）数据模型建立

为了讨论验证补偿方案的可行性，本文利用Matlab软件中的Simulink组件搭建荧光光纤测温系统仿真模型。根据模型输出的余辉衰减曲线数据，对曲线进行采样区间依次递推。利用积分法来求取各递推区间荧光寿命，得到有惯性环节影响的实际递推区间荧光寿命与无惯性环节影响的理想递推区间荧光寿命对比信息，如图5所示（图中给定荧光寿命为3ms）。

图5 实际情况与理想情况荧光寿命对比

2）寿命补偿策略分析

根据上述分析，可以将得到的有惯性环节影响的荧光寿命作为预估寿命τ0（按照实际工程可选择几段指数性较好的递推区间的寿命平均作为τ0），然后根据预估寿命信息进一步得到补偿信息进行补偿以得到准确寿命。结合大量仿真实验数据发现，可以采用多项式补偿策略和模糊补偿策略两种方法进行荧光寿命的补偿处理，具体方案流程图如图6所示。

图6 补偿策略

根据数据分析可知，若在不同荧光寿命下改变采样点时光强差的变化趋势相同，则可将光强差delta与采样点ti及预估寿命τ0的关系拟合成多项式delta=a(τ0)ti+b(τ0)，然后直接从余辉曲线光强处进行多项式补偿。多项式补偿方案具体步骤为首先得到预估寿命τ0后，将τ0和采样点时刻 ti均代入拟合公式delta=f (τ0, ti)中，得到采样时刻为ti时余辉曲线需要补偿的光强差，对光强进行补偿后即可得到无惯性环节影响的准确余辉曲线，从而通过寿命检测算法得到准确荧光寿命τ。考虑到温度检测系统中采样的是反映荧光余辉的光信号，具有时变性，因此也可以应用模糊策略，通过对隶属度函数的选择以及模糊控制规则的确定，实现对荧光寿命的误差补偿。其具体步骤为根据积分法得到预估寿命τ0后，将其作为模糊策略输入信息输入到建立的模糊结构中，得到输出的补偿信息Δτ。然后对预估寿命进行智能化的误差补偿即得到准确的荧光寿命τ。本系统应用的模糊结构为双输入单输出的推理系统[12-13]。

3）补偿结果对比

利用部分仿真实验数据对上述两种补偿方法进行结果验证，误差结果绝对值对比如图7所示。

图7 补偿方法结果对比图

根据图7可知，两种补偿方法都可以在一定程度上补偿预估寿命与理想寿命之间的误差。按照实际工程经验，温度变化 1℃时荧光寿命大约变化0.006ms。将上述荧光寿命偏差换算成温度偏差，多项式补偿方法最大偏差约为1.5℃，模糊补偿方法最大偏差约为0.5℃。因此，模糊补偿的补偿效果更适合本系统应用。

5 整机实验测试

利用Labview编写荧光光纤测温程序可以实现在线监测，配置恒温油槽、精密水银温度计等设备自主搭建整机实验测试平台，对荧光光纤温度检测系统进行温度测量结果检验。从室温开始对恒温油槽进行间隔温度点升温，将光纤传感探头和水银温度计置于其中，待测温结果稳定后，记录下温度计与测温系统的测量结果。以各个温度点下温度计的测量结果为横坐标，测温系统的误差结果为纵坐标，绘出重复性测量结果的误差曲线，如图8所示。

图8 实验测试结果分析

单个温度点下，多次测量结果的标准差σ 为

式中，n为测量的次数；Ti为第i次的测量结果；T为n次测量结果的平均值。根据测量数据可以计算得到测温范围内σmax约为0.3℃，符合系统要求。同时从图8中可以发现，单个温度点下，多次测量结果的相对误差一定范围内收敛，说明测量结果的稳定性较好，系统可以实现在稳定状态下的连续测温。若研发完成的温度检测系统要满足商品化的应用需求，在完成自主整机实验测试后，还需要到有资质的计量检定机构进行计量器具的检定或校准，以完成国家基准的量值溯源和量值传递。

6 结论

设计完成的荧光光纤接触式测温系统可以实现0～200℃的连续测温，测温性能良好。光路以及电路的优化设计可以满足工业生产的要求，可用于电力行业、化工行业等常规温度传感器难以应用的场合及各种恶劣环境，在工业生产中有着广泛的应用前景[14-15]。

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