CN105241575A - 基于宽带荧光光谱的强度比测温方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及到一种基于宽带荧光光谱的强度比测温方法，主要是利用宽带荧光发射谱谱带上选取的双波长光强度比随温度变化的现象。该方法用于温度测量时，在特定宽带荧光材料的发射光谱谱带的波长范围内选定两个合适的波长，计算这两个波长的荧光发射强度比，强度比数值与温度值的函数关系即为传感方程，未知温度下的荧光强度比数值是传感信号，输入到传感方程即得到待测温度值。本发明给出了一种新的荧光强度比测温方法，不再限于传统的荧光强度比测温技术使用有限的几种稀土离子的分立谱线发光光谱，因此荧光强度比测温敏感材料的可选范围更广，成本更低。
Description
技术领域
本发明涉及一种温度的光学测量方法，具体为一种基于宽带荧光光谱的强度比测温方法。
背景技术
荧光测温是温度传感领域的一类新兴技术。利用荧光材料的温敏特性进行温度传感具有光测技术的典型优点，如抗电磁干扰、非接触等。同时，荧光测温系统的成本在各种温度光测系统中相对较低。
常见的荧光强度比（FIR）测温技术使用的敏感材料必须具备热耦合的两个辐射跃迁激发态能级，因此，敏感材料是特殊的线谱荧光材料，不涉及荧光光谱是带状光谱的材料。强度比测温技术中，比色式黑体辐射测温是基于连续的黑体辐射光谱，但在低温测量时因为辐射强度小，精度很低。
本发明给出一种区别于常见的荧光强度比测温技术、基于宽带荧光光谱的双波长强度比测温方法。同一种荧光材料可提供一系列强度比温度传感方程，且与比色式黑体辐射测温技术具有形式上的一致性，不需要改变传感系统构造就可以方便地组合成荧光方法测低温、黑体辐射技术测高温的宽量程温度传感系统。此外本发明使用的荧光材料较常见，成本较低。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于宽带荧光光谱的强度比测温方法，与传统的分立谱线荧光强度比测温技术有所区别，使得温敏荧光材料的选择范围更大，与其它强度比型或比色式测温方法的兼容性更好。
本发明的技术方案如下：一种基于宽带荧光光谱的强度比测温方法，包括给予合适的宽带光谱荧光材料、选定有效的激发条件、在光谱谱带范围内选取合适的两个波长，在一定温度范围内测量这两个波长的发射强度，求取不同温度下的强度比并拟合得到荧光强度比温度传感方程，测量未知温度时将对应的荧光强度比输入该温度传感方程即可；其特征在于方法步骤如下：
步骤一、选定荧光材料以及匹配的激发光源、分光元件、探测器件，组成荧光温度传感系统；
步骤二、从荧光材料的荧光光谱中选择合适的两个波长，记录它们的荧光强度比，在一定温度范围内（例如室温到450K）逐渐设置改变荧光材料的温度，记录所述两个荧光强度的比值随温度的变化，拟合得到荧光强度比温度传感函数；
传感函数不唯一，选取被监测的两个波长不同，传感函数也不同。依据灵敏度和拟合精度的要求，可以找出最优传感方程并确定两个被监测的波长。
步骤三、将该荧光材料置于未知温度环境下，用步骤一中的激发光激发，记录待测温度下步骤二所述的荧光强度比，代入步骤二中的温度传感函数得到被测温度。
本发明的实质是利用某些荧光光谱的谱型受温度的影响。随温度的变化，荧光光谱谱带发生移动，同时伴随着谱带带宽的变化，这种情况下，荧光强度的分布发生改变，造成特定波长荧光的强度比例随之而变，最终，荧光强度比数据和温度的关系构成一个单调函数。
本发明中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。
本发明的双波长强度比温度传感方法，还可用于但不限于荧光激发光谱、吸收光谱、透射光谱等光谱的温度传感应用。
本发明的有益效果：本发明扩充了荧光强度比测温方法的原理，新的方法适用的荧光材料发光效率普遍较高、更常见、成本更低廉；用于强度比监测的荧光波长有很大的选择范围，便于与其它强度比型温度传感方式（例如比色法黑体辐射测温）联用；温度传感方程形式上呈强度比与温度的线性关系，比传统的荧光强度比测温技术的对数公式更简洁。
附图说明
图1为本发明典型的温敏宽带荧光光谱（以YAG:Ce3+荧光材料为例），激发光使用中心波长为405nm的激光。图中光谱强度已经归一化。
图2为本发明选定不同的波长λ，各自的强度I(λ)之比值随温度的变化。
具体实施方式
本发明的技术部分描述了一种从荧光材料带状光谱上选取两个波长，利用它们的强度比测量温度的方法。具体实施过程如下（以荧光材料YAG:Ce3+为例）：
步骤一、荧光材料置于可控温度环境，选择中心波长405nm的激光作为激发光源，用一台测量范围在可见光波段、分辨率0.5nm的光纤光谱仪作为探测设备。
步骤二、在室温到450k范围内渐次设置改变荧光材料的环境温度，记录不同温度下的一系列荧光发射光谱，如图1所示。
选择荧光谱峰值波长附近的一个波长（550nm）作为参考波长，另外选取与参考波长间隔10nm以上的其它16个波长位置，分别计算参考波长处的光强和另外16个波长处的光强的强度比例，得到16组强度比～温度关系数据。
分别对这16组数据作最优线性拟合（如图2所示），得到16个传感方程，拟合直线的斜率对应于温度传感灵敏度。灵敏度以及拟合精度大小可以作为挑选最优传感方程的依据，或根据实际需要选择其它两个波长、检测它们的荧光强度比并按上述方式拟合出传感方程。
步骤三、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步骤二中确定的两个波长处荧光强度的强度比，代入对应的传感方程中得到待测温度值。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。
上述步骤一里面的光谱仪还可以用其它具有选色、探测能力的元件组合代替，例如用滤色片分离出需要监测强度的两个波长、用两个半导体光电管分别测量它们的光强，然后用功能电路记录温度传感曲线和显示实测温度数据。
Claims (3)
1.一种基于宽带荧光光谱的强度比测温方法，包括给予合适的宽带光谱荧光材料、选定有效的激发条件、在光谱谱带范围内选取合适的两个波长，在一定温度范围内测量这两个波长的发射强度，求取不同温度下的强度比并拟合得到荧光强度比温度传感方程，测量未知温度时将对应的荧光强度比输入该温度传感方程即可；其特征在于方法步骤如下：
步骤一、选定荧光材料以及匹配的激发光源、分光元件、探测器件，组成荧光温度传感系统；
步骤二、从荧光材料的荧光光谱中选择合适的两个波长，记录它们的荧光强度比，在一定温度范围内逐渐设置改变荧光材料的温度，记录所述两个荧光强度的比值随温度的变化，拟合得到荧光强度比温度传感函数；传感函数不唯一，选取被监测的两个波长不同，传感函数也不同；
步骤三、将该荧光材料置于未知温度环境下，用步骤一中的激发光激发，记录待测温度下步骤二所述的荧光强度比，代入步骤二中的温度传感函数得到被测温度。
2.根据权利要求1所述的一种基于宽带荧光光谱的强度比测温方法，其特征在于：所述荧光材料，包括但不限于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所述的一种基于宽带荧光光谱的强度比测温方法，其特征在于：还可用于但不限于荧光激发光谱、吸收光谱、透射光谱等光谱的温度传感应用。
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