一种新型荧光光纤测温探头及其一致性研究

郑良广，吴明明，赵呈锐，孙 炎

（1.中国中车传感测量技术研发中心，宁波 315021；2.宁波中车时代传感技术有限公司，宁波 315021）

近年来，光纤测温技术取得了较大的研究成果，相对于传统的铂电阻、热电偶、半导体等测温技术，光纤具有一定的独特性，能够很好地抵抗外界环境的高压与电磁干扰，具有绝缘、稳定可靠、精度高、故障自诊断等优点[1-2]，因此，荧光测温技术逐渐引起了诸多学者的关注[3-5]，文献[6-7]分别提出了基于希尔伯特变换和小波变换的荧光测温技术；文献[8]搭建了荧光测温实验系统，分析了不同组分荧光物质光谱曲线，证明了光纤温度传感器的原理可行性。荧光光纤测温传感器在铁路振动、冲击复杂环境下仍能保持较好的冗余可靠性，具备传统铂电阻传感器所不具备的优点，能够很好的适于列车轴温的监测与报警。但传统的荧光探头是将荧光物质包裹于光纤端部，不利于荧光的充分反射，影响传感器测温的一致性，且制作工艺相对繁琐，耗费人工成本较高。因此急需研发出一种新型装配式的荧光温度传感器探头体，并具备生产周期短、操作简单、测温一致性等优点。

本文着重介绍了基于荧光测温原理的一种新型装配式的荧光温度传感器探头体，并通过试验进行了该荧光测温探头的一致性分析，并得出较好的测温效果，对提升荧光温度传感器测温一致性及生产便利性具有较大意义。

1 荧光测温原理

荧光材料受到外部激发脉冲光源的照射下激发出更大波长的荧光，对于特定的荧光材料，当激发脉冲光源去除后荧光的强度和寿命衰减与温度有一定的函数关系[9]，如式（1）所示，通过荧光衰减时长即可得出所测环境温度。荧光特性曲线如图1所示。

图1 荧光特性曲线Fig.1 Fluorescence characteristic

式中：I（t）为荧光强度；A为常数；Ip（T）为荧光峰值强度；τ（T）表示荧光衰减时间；Ip（T），τ（T）均与环境温度有关，根据荧光余辉寿命的检测可以得出相应温度。

荧光光纤温度传感器测温示意图如图2所示。

图2 荧光测温示意图Fig.2 Fluorescent optical fiber temperature measurement

荧光测温探头是基于端部激发的荧光信号实现测温的，是荧光光纤测温技术的核心部件，探头性能的一致性对测温系统起关键作用，荧光物质的均匀性对激发出的荧光特性有重要的影响。传统的荧光探头是将荧光物质包裹于光纤端部，不利于荧光的充分反射，且制作工艺相对繁琐。基于上述考虑，本文提出了一种新型装配式的荧光温度传感器探头体，首先将荧光材料与特定胶合剂按照设定比例混合后制成荧光体，后与一端研磨的光纤通过冲压方式装配在一起，制作测温探头，并进行性能一致性研究。

2 探头的结构工艺设计

本文将特定荧光材料与胶合剂按设定比例均匀混合后注入专用模具中，形成厚度为1 mm，外形尺寸略小于金属套管内径的荧光体；将荧光体放入金属套管内；对光纤一端研磨平整，在距离研磨端3 mm 处添加卡环，保证卡环牢靠卡紧光纤；将带卡环的光纤由专用冲压工具将其压入套管内，卡环与套管内壁过盈配合，保证压紧，同时套管内壁设有限位槽防止过度冲压造成光纤损伤；最后在套管外侧注入密封胶与外界隔绝，以达到防水防尘的目的。制作探头结构如图3所示。

图3 探头结构Fig.3 Structure of probe

3 影响荧光探头一致性研究

为提升荧光探头测温一致性，分别分析荧光体正反两面、荧光体厚度、荧光粉浓度等因素对荧光探头测温一致性的影响。其试验详情及结论如下所示。

3.1 试验环境

主要试验设备：酒精制冷恒温槽（带温度校准）、光电转化模块、显示屏、探头固定工装等。

测试方法：将制冷恒温槽设定在0 ℃，并通过铂电阻对槽内酒精进行温度校准待温度稳定；探头另一端通过光电转化模块与显示屏相连；将荧光探头通过固定工装放入制冷恒温槽内酒精中至温度稳定，通过测温软件由显示屏进行动态显示，待数据稳定后进行保存测温数据。

3.2 探头性能差异性

为了验证荧光体两面光学性能的差异性，根据上述工艺方法，取20 根相同性能的光纤及相同条件下制备的20 个荧光体，分别将其正反两面朝向光纤端部，制成2 种探头各10 根。在0 ℃恒温槽环境中进行温度测试，实测温度如图4所示。

图4 荧光体正反两面差异性测试Fig.4 Difference test of positive and negative sides of phosphor

正面荧光体探头偏差为0.3 ℃，标准差为0.09；反面荧光体探头偏差为0.2 ℃，标准差为0.06；整体偏差4.7 ℃，整体标准差为2.23。

由图4显然可以得出，荧光体同一侧对应的探头测温一致性较好，两侧光学性能存在整体性偏移，且两侧偏差约为4.7 ℃，影响测温精度。为避免工艺过程中由荧光体两面对光纤面朝向不同引起的测温误差，需对荧光体两面差异性作进一步探究并消除。

潜在差异性分析与探究：①厚度对荧光体两面差异性的影响；②荧光材料含量对荧光体两面差异性的影响。本文将对上述潜在因素分别进行针对性探究。

3.3 荧光体厚度对探头一致性的影响

为了探究荧光体厚度对其两面光学性能差异的影响，在保持原有条件不变的情况下，探讨荧光体厚度对测温性能的影响。由于荧光探头体整体结构空间较小，故采用常温固化方式制作厚度分别为0.5 mm，1 mm 及1.5 mm 的荧光体。通过上述工艺方法制作探头，在0 ℃恒温槽实测结果如图5所示。

图5 荧光体厚度对探头一致性的影响Fig.5 Influence of phosphor thickness to probe consistency

0.5 mm 荧光体正反面测温偏差为0.5 ℃，0.6 ℃，标准差为0.13，0.17；1 mm 荧光体正反面测温偏差为0.4 ℃，0.5 ℃，标准差为0.10，0.14；1.5 mm 荧光体正反面测温偏差为0.4 ℃，0.4 ℃，标准差为0.12，0.11。

通过图5可以看出，3 种厚度的荧光体两面所制作探头测温性能具有整体性偏移，改变厚度不能消除其差异性，厚度不是影响对荧光体两面差异性的关键因素。

3.4 荧光材料浓度对探头一致性的影响

荧光粉与胶合剂混合后浓度为处于未饱和状态，常温下胶合剂固化时间较长（需24 h 以上），荧光材料存在沉降，使得荧光体两面荧光材料浓度不同。现将胶合剂与荧光粉按设定比例充分混合后体置于60 ℃环境下进行快速固化（约30 min），减少荧光材料沉降的几率，能够有效改善两面荧光材料的浓度差异。根据使用需求制作厚度为1.5 mm 的荧光体，并在0 ℃恒温槽内进行测试，如图6所示。

通过缩短荧光体固化时间后，组1～组3 荧光体正反两面实测温度最大差分别为0.2 ℃，0.2 ℃，0.1 ℃，0.1 ℃，0.2 ℃，0.3 ℃；标准差分别为0.06，0.07，0.05，0.04，0.06，0.08；3 组探头整体性能误差小于±0.2 ℃。

从图6可知，当加快荧光体固化速度时，荧光体正反两面所对应探头整体性偏移得到有效地抑制，探头测温性能具有较好一致性，并由此可以看出该种荧光光纤测温探头具有较好的测温精度。

4 结语

本文介绍了一种新型荧光测温探头，重点研究了影响探头测温性能的一致性因素。研究发现：同侧荧光体制作的探头一致性较好，两侧对应的探头测温性能存在一定整体性偏移，荧光体厚度对该差异性的影响较小；缩短荧光体固化时间，改善其两面荧光材料浓度，可以有效改善荧光体两面的一致性，避免探头测温整体性偏移，提高测温精度。通过改善荧光体性能能够提升荧光探头的测温性能，从而使荧光光纤温度传感器性能得到优化。本文的研究对于提高荧光光纤温度传感器的测温性能，优化加工工艺提供了参考依据，具有一定实际工程价值。