CN103439027A - 一种基于量子点薄膜光致发光的高速轴承测温方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于量子点薄膜光致发光的高速轴承测温方法，先进行油溶性半导体碲化镉（CdTe)量子点的合成，然后进行油溶性半导体碲化镉（CdTe）量子点胶体薄膜样品的制备，再温度标定，最后进行高速轴承温度测量，本发明解决了传统的接触式和非接触式轴承测温技术受轴承转速限制的问题，操作简单灵活，只需将光纤与探头固定在待测温位置附近，通过集成的光谱处理系统便可以实现远距离、高转速轴承的温度测量，精度和灵敏度较传统的轴承测温技术有很大提高。

Description

一种基于量子点薄膜光致发光的高速轴承测温方法
技术领域
本发明属于机械工程动态测温技术领域，具体涉及一种基于量子点薄膜光致发光的高速轴承测温方法。
背景技术
机械工程中的旋转部件如涡轮机、机床主轴等对轴承有较高要求，很多时候机器运转时轴承会发热，这对轴承的寿命和工作性能有很大的影响。因此，轴承温度的测量对研究轴承的热力学性能、寿命及可靠性方面有至关重要的影响。目前，轴承温度的测量仅限于低中速工作转速，传统的方法包括接触式如电容式传感测温和非接触式如激光、红外热像仪测温技术，这些技术对于低中速旋转轴承来说已能够满足精度和灵敏度要求。但对于转速高于3000rpm的高速轴承来说，高的转速会带来较大振动，接触式测温显然不适用；非接触的激光、红外测量方法由于振动带来的几何光程误差也难以准确地反映出轴承温度。高速轴承温度测量仍是当今工程技术人员所面临的难题。
量子点材料的带隙宽度以及载流子复合随温度变化的关系向我们提出了一种新型的非接触式温度测量技术。将量子点掺杂在有机薄膜中，将此薄膜粘附在待测温区域，通过研究薄膜发射光谱的光学信息的变化便可以对应出所测温度。
发明内容
为了克服现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于量子点薄膜光致发光的高速轴承测温方法，在满足精度和灵敏度的要求下，能够实现高速轴承的温度测量。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于量子点薄膜光致发光的高速轴承测温方法，包括以下步骤：
第一步，油溶性半导体碲化镉（CdTe)量子点的合成：首先将20g乙二酸二癸脂(干粉DDA)与15mL三正辛基膦(TOP)混合后加热至50℃，以此作为稳定剂，将0.44g二甲基镉(Cd(Me)2)溶于15mL三正辛基膦(TOP)中作为镉源(Cd2+)，取0.32g碲粉作为碲源(Te4+)，两者均加入稳定剂中，形成前驱体溶液，在温度165℃下通过控制前驱体溶液的冷凝回流反应时间为40min得到光致发光为绿色的油溶性CdTe量子点；
第二步，油溶性半导体碲化镉（CdTe）量子点胶体薄膜样品的制备：取10g聚二甲基硅氧烷(PDMS)硅胶，加入1g固化剂，再加入5mL浓度为0.04mol/L的油溶性CdTe量子点，搅拌均匀后抽真空7min来去除胶体中的气泡，选取载玻片1为衬底材料，表面做清洁处理后均匀旋涂一层厚度为100um的均匀分散于PDMS的量子点胶体，95℃加热15min制得CdTe量子点胶体薄膜2；
第三步，温度标定：采用荧光光谱仪对CdTe量子点胶体薄膜样品5进行表征，激发波长为400nm，调节粘附在量子点胶体薄膜样品5背面的温度控制模块6便获得已知的不同温度下量子点薄膜的光致发光光谱，将不同温度下的光致发光光谱进行高斯拟合，提取出峰值波长、发光强度和半峰宽信号，将提取的信号与温度一一对应并做线性拟合，最终得到峰值波长—温度、发光强度—温度和半峰宽—温度三大温度标定曲线8；
第四步，高速轴承温度测量：将CdTe量子点胶体14均匀附着在高速轴承内圈11的端面，采用400nm固体激光器19作为激发光源，通过第一光纤17、第一探头15将激发光打在CdTe量子点胶体14上，CdTe量子点胶体14的光致发光发射谱通过第二探头16、第二光纤18输送到光栅光谱仪20中，光谱经过光栅光谱仪20分光后将信号输送至高速光谱CCD21中，光栅光谱仪20和高速光谱CCD21经数据传输线路22与光谱处理系统23连接，来控制仪器的工作状态，并进行数据传输，将所得的光谱信息包括峰值波长、发光强度和半峰宽与第二步中的温度标定曲线8作对比，便得出设定转速下轴承的温度。
所述的光栅光谱仪20接口的狭缝宽度为250um，选择600l/mm的光栅进行分光。
所述的高速光谱CCD21的曝光时间为0.5s。
所述的高速轴承的转速达3000rpm以上。
本发明采用高光致发光强度的油溶性CdTe量子点制备薄膜，充分利用了其光谱信息对温度的敏感性，解决了传统的接触式和非接触式轴承测温方法受到轴承转速限制的问题。量子点受热后光学带隙减小导致发射谱波长红移，受热后量子点中的载流子非辐射复合增强使得光致发光强度降低，光谱信息的变化对振动没有依赖性，因此可以用来作为轴承工作时的动态温度指示。操作简单灵活，只需将光纤与探头固定在待测温位置附近，通过集成的光谱处理系统便可以实现远距离的温度测量，精度和灵敏度较传统的轴承测温技术有很大提高。
附图说明
图1为表面做过清洁处理的载玻片。
图2-1为衬底上旋涂CdTe量子点胶体成膜后的俯视图；图2-2为衬底上旋涂CdTe量子点胶体成膜后的主视图。
图3为用荧光光谱仪研究CdTe量子点胶体薄膜光致发光光谱温度特性的示意图。
图4为用CdTe量子点胶体薄膜测高速轴承温度的系统组成。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
一种基于量子点薄膜光致发光的高速轴承测温方法，包括以下步骤：
第一步，油溶性半导体碲化镉（CdTe)量子点的合成：油溶性半导体碲化镉（CdTe）量子点的合成采用有机相的化学合成方法，首先将20g乙二酸二癸脂(干粉DDA)与15mL三正辛基膦(TOP)混合后加热至50℃，以此作为稳定剂，将0.44g二甲基镉(Cd(Me)2)溶于15mL三正辛基膦(TOP)中作为镉源(Cd2+)，取0.32g碲粉作为碲源(Te4+)，两者均加入稳定剂中，形成前驱体溶液，在温度165℃下通过控制前驱体溶液的冷凝回流反应时间为40min得到光致发光为绿色的油溶性CdTe量子点；
第二步，油溶性半导体碲化镉（CdTe）量子点胶体薄膜样品5的制备：参照图1、图2-1和图2-2所示，取10g聚二甲基硅氧烷(PDMS)硅胶，加入1g固化剂，再加入5mL浓度为0.04mol/L的油溶性CdTe量子点，搅拌均匀后抽真空7min来去除胶体中的气泡，选取载玻片1为衬底材料，表面做清洁处理后均匀旋涂一层厚度为100um的均匀分散于PDMS的CdTe量子点胶体，95℃加热15min制得CdTe量子点胶体薄膜2；
第三步，温度标定：参照图3，采用荧光光谱仪对CdTe量子点胶体薄膜样品5进行表征，荧光光谱仪采用氘灯3作为初始光源，氘灯光源经过旋转光栅塔台4色散后实现400nm单色光，该单色光打在量子点胶体薄膜样品5上，致使CdTe量子点胶体薄膜产生光致发光光谱，调节粘附在量子点胶体薄膜样品5背面的温度控制模块6便可以获得不同温度下样品的光致发光光谱，不同温度下的光致发光光谱经由光谱探测器7后得到相应的谱线，将不同温度下的光致发光光谱进行高斯拟合，提取出峰值波长、发光强度和半峰宽信号，将提取的信号与温度一一对应并做线性拟合，最终得到峰值波长—温度、发光强度—温度和半峰宽—温度三大温度标定曲线8；
第四步，高速轴承温度测量：参照图4，采用型号为6008的深沟球轴承，由外圈9，内圈11及滚动体12组成，此处省略保持架，轴端挡圈10用来防止轴承的轴向移动，轴承内径为40mm，外径为68mm，轴承宽15mm，极限转速为8500rpm（脂润滑），本次测量时轴承转速设定为4500rpm，将CdTe量子点胶体14均匀附着在轴承内圈11的右端面，采用400nm固体激光器19作为激发光源，通过第一光纤17、第一探头15将激发光打在CdTe量子点胶体14上，CdTe量子点胶体14的光致发光发射谱通过第二探头16和第二光纤18输送到光栅光谱仪20中，光谱经过光栅光谱仪20分光后将信号输送至高速光谱CCD21中，光栅光谱仪20和高速光谱CCD21经数据传输线路22与光谱处理系统23连接，来控制仪器的工作状态，并进行数据传输，将所得的光谱信息包括峰值波长、发光强度和半峰宽与第二步中的温度标定曲线8作对比，便可得出设定转速下轴承的温度。
所述的光栅光谱仪20接口的狭缝宽度为250um，选择600l/mm的光栅进行分光。
所述的高速光谱CCD21的曝光时间为0.5s。
所述的高速轴承的转速达3000rpm以上。
本发明采用高光致发光强度的油溶性CdTe量子点制备薄膜，充分利用了其光谱信息对温度的敏感性，解决了传统的接触式和非接触式轴承测温方法受到轴承转速限制的问题。量子点受热后光学带隙减小导致发射谱波长红移，受热后量子点中的载流子非辐射复合增强使得光致发光强度降低，光谱信息的变化对振动没有依赖性，因此可以用来作为轴承工作时的动态温度指示。操作简单灵活，只需将光纤与探头固定在待测温位置附近，通过集成的光谱处理系统便可以实现远距离、高转速轴承的温度测量，精度和灵敏度较传统的轴承测温技术有很大提高。

Claims (4)

1.一种基于量子点薄膜光致发光的高速轴承测温方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，油溶性半导体碲化镉（CdTe)量子点的合成：首先将20g乙二酸二癸脂(干粉DDA)与15mL三正辛基膦(TOP)混合后加热至50℃，以此作为稳定剂，将0.44g二甲基镉(Cd(Me)2)溶于15mL三正辛基膦(TOP)中作为镉源(Cd2+)，取0.32g碲粉作为碲源(Te4+)，两者均加入稳定剂中，形成前驱体溶液，在温度165℃下通过控制前驱体溶液的冷凝回流反应时间为40min得到光致发光为绿色的油溶性CdTe量子点；
第二步，油溶性半导体碲化镉（CdTe）量子点胶体薄膜样品的制备：取10g聚二甲基硅氧烷(PDMS)硅胶，加入1g固化剂，再加入5mL浓度为0.04mol/L的油溶性CdTe量子点，搅拌均匀后抽真空7min来去除胶体中的气泡，选取载玻片为衬底材料，表面做清洁处理后均匀旋涂一层厚度为100um的均匀分散于PDMS的量子点胶体，95℃加热15min制得CdTe量子点胶体薄膜；
第三步，温度标定：采用荧光光谱仪对CdTe量子点胶体薄膜样品进行表征，激发波长为400nm，调节粘附在量子点胶体薄膜样品背面的温度控制模块获得已知的不同温度下量子点薄膜的光致发光光谱，将不同温度下的光致发光光谱进行高斯拟合，提取出峰值波长、发光强度和半峰宽信号，将提取的信号与温度一一对应并做线性拟合，最终得到峰值波长—温度、发光强度—温度和半峰宽—温度三大温度标定曲线（8）；
第四步，高速轴承温度测量：将CdTe量子点胶体（14）均匀附着在高速轴承内圈（11）的端面，采用400nm固体激光器（19）作为激发光源，通过第一光纤（17）、第一探头（15）将激发光打在CdTe量子点胶体（14）上，CdTe量子点胶体（14）的光致发光发射谱通过第二探头（16）、第二光纤（18）输送到光栅光谱仪（20）中，光谱经过光栅光谱仪（20）分光后将信号输送至高速光谱CCD（21）中，光栅光谱仪（20）和高速光谱CCD（21）经数据传输线路（22）与光谱处理系统（23）连接，来控制仪器的工作状态，并进行数据传输，将所得的光谱信息包括峰值波长、发光强度和半峰宽与第二步中的温度标定曲线（8）作对比，便得出设定转速下轴承的温度。
2.根据权利要求1所述的一种基于量子点薄膜光致发光的高速轴承测温方法，其特征在于：所述的光栅光谱仪（20）接口的狭缝宽度为250um，选择600l/mm的光栅进行分光。
3.根据权利要求1所述的一种基于量子点薄膜光致发光的高速轴承测温方法，其特征在于：所述的高速光谱CCD（21）的曝光时间为0.5s。
4.根据权利要求1所述的一种基于量子点薄膜光致发光的高速轴承测温方法，其特征在于：所述的高速轴承的转速达3000rpm以上。
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