CN105092088B - 一种宽带荧光光谱测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽带荧光光谱测温方法，主要阐明利用荧光光谱测量温度的一种方法。该方法在利用荧光材料的宽带光谱实现温度测量时，将荧光谱带数据先后沿波长作强度积分和对谱带面积作中分处理，得到荧光谱带的重心波长，用该重心值表征谱带的位置，进而获取谱带重心与温度的传感函数关系。本发明给出了谱带重心的一种计算方法，说明了在特殊情况下重心波长与峰值波长的兼容性，并举例证明了重心法与峰值频移法相比的测量精度优势。

Description

一种宽带荧光光谱测温方法

技术领域

本发明涉及温度的光学测量方法，具体涉及一种宽带荧光光谱测温方法。

背景技术

用敏感材料的荧光特征传感温度的技术具有光测技术的典型优点，包括免疫电磁干扰、可以非接触测量等，尤其适合用于强电干扰影响、复杂机械结构内部等特种测量。

荧光测温方法可以利用的荧光特征通常有峰值波长位置、谱峰半高全宽、谱峰之间的强度比、荧光寿命这几种。

本发明提出一种基于荧光谱带位置的温度传感方法：用重心波长描述荧光材料光谱的宽谱带位置，在标准温度下标定荧光光谱谱带重心与温度的关系函数，作为传感方程，待测温度对应的荧光光谱谱带重心数值即为传感信号。本发明兼容峰值波长传感，当荧光峰在峰值两侧对称分布时，谱带的重心位置与峰值波长位置重合。与峰值波长位置传感方法相比，本方法的测量精度能提高一个数量级以上。

发明内容

本发明目的在于提供一种宽带荧光光谱测温方法，该测温方法不改变光谱测试系统的硬件配置，仅通过定义新的光谱特征参数-谱带重心，代替峰值波长位置用于温度传感，达到提高测量精度的目的。

本发明技术方案如下：一种宽带荧光光谱测温方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、在一套光谱测量系统中，根据所使用的温度敏感材料的荧光特性，选用合适的激发光波长和分光、探测器件。

步骤二、测量和记录已知环境温度下宽带荧光材料的荧光光谱，并计算光谱谱带的重心波长，标定所述荧光材料的温度传感曲线。具体步骤如下：

步骤2-1. 在一定温度范围内（例如300K到500K）渐次设置改变荧光材料所处环境温度；

步骤2-2. 测量并记录步骤2-1所述各温度下荧光材料的荧光光谱；

步骤2-3. 在步骤2-2所测得的荧光光谱全谱带范围内作强度积分；

步骤2-4. 计算谱带的重心波长值；

步骤2-5. 拟合步骤2-4的数据，得到荧光材料荧光谱带重心位置与温度关系的传感函数。

步骤三、将所述荧光材料置于未知温度环境，用步骤一所用的激发光激发荧光材料，测量它的荧光光谱并计算出谱带的重心数值，代入由步骤2-5所得到的传感函数，得到待测温度值。

本发明所述步骤2-4中计算荧光光谱谱带的重心波长值方法为：在光谱全谱带范围内作积分；用谱带上邻近重心波长的实测局部积分数据作线性插值运算，从而得到准确的重心波长位置，该位置将步骤2-3所测得的谱带均分为左右相等的两个局部积分面积。

本发明所使用的荧光材料具有宽的荧光谱带，荧光材料的种类包括但不限于5d-4f跃迁稀土离子掺杂的无机材料、过渡金属离子掺杂的宽带发光材料、半导体复合发光材料、有机荧光材料等。

本发明所述步骤2-4中计算荧光光谱谱带的重心波长值方法，还可用于但不限于荧光激发光谱、吸收光谱、透射光谱等光谱的分析。

本发明的实质是设定一个数学的波长坐标参数来表征一个荧光宽谱带的位置随温度而发生的移动。当荧光谱带在其峰值两侧对称分布时，本发明设定的谱带重心与峰值波长位置重合，此时重心法温度传感兼容于峰值波长位置传感，但因为计算重心时的积分操作将随机噪声也作了累加，起到了提高信噪比的作用，本方法的测量精度相比之下能提高一个数量级以上。

本发明的有益效果：本发明提供了一种温度传感方法-谱带重心移动法，在通常情况下，重心法温度传感兼容于峰值波长位置传感，但本发明与峰值波长位置传感方法相比能提高测量精度一个数量级以上。本发明的传感精度也不受限于传感系统的光谱分辨率。

附图说明

图1为本发明典型的温敏宽带荧光光谱（以一种Ce³⁺掺杂荧光材料为例，已经以峰值强度为基准作了归一化处理），激发波长为405nm。

图2为本发明谱带重心位置（阴影区间与非阴影区间交界处的波长）示意图。

图3为本发明拟合温度传感函数的实验数据图，波长单位已转换为波数单位。（实线拟合）峰值波长传感温度的数据与（虚线拟合）谱带重心传感温度的数据相比，明显更为发散，数据误差较大。

具体实施方式

本发明技术内容部分描述了一种利用荧光光谱的谱带重心波长位置测量温度的方法。该方法使用的测试系统可以基于常见的光栅光谱仪实现。以一种Ce³⁺掺杂无机氧化物材料的温度特性为例，具体描述如下：

用工作于可见光波段、分辨率0.5nm的光谱仪测量Ce³⁺掺杂荧光材料的发射光谱，紫外至蓝光波段都可以激发出黄色荧光发射，在激发光波段内任意取用405nm作为激发光波长。

在室温到450K温度范围内渐次设置改变荧光材料所处的环境温度，测量和记录已知环境温度下荧光材料的荧光发射光谱如图1所示。

对任何一幅实测荧光谱，在全谱带范围内作积分，对谱带上邻近重心的局部积分数据作线性插值运算得到准确的重心波长位置，如图2所示的阴影区右侧边界波长。该重心波长将荧光光谱谱带均分为左右相等的两个局部面积。

拟合荧光材料荧光谱带重心位置与温度的数据关系，数据曲线（虚线）如图3所示，对应的关系函数即为标定所述荧光材料的温度传感方程。峰值波长随温度变化发生的移动（实线拟合）也绘制于图中作为比较。重心法温度传感的拟合精度比峰值波长法温度传感的精度高一个数量级，原始数据分布更接近拟合直线，峰值波长法原始数据的拟合误差要大得多。

置于未知温度环境中的所述荧光材料，用同一波长的激发光激发该荧光材料，测量它的荧光光谱并计算出谱带的重心数值，代入上述的温度传感方程，即得到待测温度值。荧光材料粉末即成为一个点温度传感器。

其它可以用于所述温度传感方式的典型宽带荧光材料还包括但不限于：其它5d-4f跃迁的稀土离子（如Eu²⁺）掺杂荧光材料、过渡金属掺杂荧光材料、半导体发光材料和有机发光材料等。

其它可以应用所述技术方案的光谱类型还包括但不限于：荧光激发光谱、吸收光谱、透射光谱等。

Claims (3)

1.一种宽带荧光光谱测温方法，它包括基于合适的宽带发光荧光材料、选定激发条件，在已知温度下测量荧光光谱，对光谱的谱带求取重心波长，拟合所得的重心波长随温度变化而移动的规律，得到温度传感方程，将未知温度下测得的谱带重心值代入所述传感方程，得知被测温度；其特征在于方法步骤如下：

步骤一、根据荧光材料的发光特性，选用合适的激发光波长；

步骤二、测量和记录已知温度条件下荧光材料的荧光光谱，并计算光谱谱带的重心，标定所述荧光材料的温度传感曲线；具体步骤如下；

步骤2-1. 在一定温度范围内渐次设置改变荧光材料所处的环境温度；

步骤2-2. 测量并记录步骤2-1所述各个温度下荧光材料的荧光光谱；

步骤2-3. 计算荧光光谱谱带的重心波长值；

步骤2-4. 拟合得到荧光材料荧光谱带重心位置与温度关系的传感函数；

步骤三、将所述荧光材料置于未知温度环境，用步骤一所用的激发光激发荧光材料，测量它的荧光光谱并计算出谱带的重心数值，代入由步骤2-4所得到的传感函数，得到待测温度值；

所述步骤2-3中计算荧光光谱谱带的重心波长值方法为：在光谱全谱带范围内作积分；用谱带上邻近重心波长的实测局部积分数据作线性插值运算，从而得到准确的重心波长位置，该位置将谱带均分为左右相等的两个局部积分面积。

2.根据权利要求1所述的一种宽带荧光光谱测温方法，其特征在于：所述宽带荧光材料包括5d-4f跃迁的稀土离子发光材料、过渡金属发光材料、半导体复合发光材料、有机发光材料。

3.根据权利要求1所述的一种宽带荧光光谱测温方法，其特征在于：所述步骤2-3中计算荧光光谱谱带的重心波长值方法，或用于荧光激发光谱、吸收光谱、透射光谱的分析。