CN106017722B - 一种单点荧光测温装置及测温方法 - Google Patents
一种单点荧光测温装置及测温方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106017722B CN106017722B CN201610652669.8A CN201610652669A CN106017722B CN 106017722 B CN106017722 B CN 106017722B CN 201610652669 A CN201610652669 A CN 201610652669A CN 106017722 B CN106017722 B CN 106017722B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- fluorescence
- temperature
- stokes
- testee
- sut
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
- G01K11/20—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using thermoluminescent materials
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
本发明涉及测控领域，特别涉及一种单点荧光测温装置及测温方法。本发明通过将YAG:Ce粉末掺入被测系统或涂抹到被测物体表面作为荧光温度探针，通过将作为热源的脉冲激光照射到被测系统或被测物体上产生瞬变温度场，同时，通过荧光激发光源实现荧光温度探针的多声子辅助激发激发（multiphonon‑assisted excitation），不同于常规的吸收带内激发，本发明中荧光温度探针同时吸收一个入射光子和多个声子的能量实现激发，从而使得荧光温度探针受激发后发射的荧光出现反斯托克斯荧光，采用本发明的方案不仅可增强反斯托克斯荧光的温度依赖特性，而且可以提高高温下的测温精度。
Description
技术领域
本发明涉及测控领域，特别涉及一种单点荧光测温装置及测温方法。
背景技术
在测控领域当中，很多时候需要获取被测物体的瞬时温度，如激光（闪光）加热、燃烧诊断、发动机内温度、流体场中的温度（如气体温度）以及撞击加载下的被测物体的瞬时温度，现有的测温装置大多需要接触测量，而一些非接触式测量装置也存在测量精度低、采样速率低以及不能将测量结果与时间相关联等一系列问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中传统测温装置需接触测量或者非接触测量装置的测量精度低、采样速率低，测量结果无法与时间关联的问题，提供一种测量精度高，且可对被测物体的瞬变温度进行单点单次的非接触测量的高速荧光测温装置。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种单点荧光测温装置，包括，
温度探针，所述温度探针为YAG:Ce（Y3Al5O12:Ce）粉末，其用于掺入被测系统中或涂抹于被测物体表面；
热源激光器，用于发射激光脉冲至被测物体上产生瞬变温度场；
荧光激发源，用于发射激发光至被测物体，以使得处于瞬变温度场中的温度探针受激发后发射反斯托克斯荧光及斯托克斯荧光；
光谱探测设备，用于采集接收温度探针受激发后发射的反斯托克斯荧光及斯托克斯荧光；
同步控制装置，用于同步控制所述荧光激发源及光谱探测设备；
控制器，用于接收所述光谱探测设备采集到的反斯托克斯荧光及斯托克斯荧光强度值并记录、分析，所述控制器还根据反斯托克斯荧光与斯托克斯荧光的强度比的标定值，结合采集时间得出被测物体或被测系统时间分辨的温度。
进一步的，所述热源激光器发射的激光脉冲经第五透镜、第六透镜准直后，经第七透镜聚焦至被测物体。
进一步的，所述荧光激发源发射的激发光经第一透镜、第二透镜准直后，再经第一反射镜、第二反射镜反射，并经第三透镜聚焦至被测物体。
进一步的，所述温度探针受激发后发射的反斯托克斯荧光及斯托克斯荧光顺序经过第四透镜及一带阻光滤波器后耦合入光纤，并经光纤传输至所述光谱探测设备。
进一步的，所述激发光具有指定重复频率及指定波长，所述带阻光滤波器的带阻宽度为指定波长±10nm。
优选的，所述激发光的重复频率为5kHz，波长为532nm。
优选的，所述同步控制装置为脉冲发生器。
本发明同时提供一种测量精度高、采样频率高的非接触式单点高速荧光测温方法，包含如下步骤：
包含针对特定温度探针，将反斯托克斯荧光与斯托克斯荧光的强度比与温度进行标定的步骤；
包含将温度探针掺入被测系统或涂抹于与被测物体表面的步骤；
包含发射激光脉冲至被测系统或被测物体产生瞬变温度场的步骤；
包含发射激发光至被测系统或被测物体，以使得处于瞬变温度场中的温度探针受激发后发射反斯托克斯荧光及斯托克斯荧光；
包含采集所述反斯托克斯荧光及斯托克斯荧光并检测其强度的步骤；
包含根据反斯托克斯荧光的强度及斯托克斯荧光的强度获取被测系统或被测物体温度的步骤。
进一步的，所述激发光具有指定重复频率及指定波长；
同时，采集温度探针受激发后发射的反斯托克斯荧光、斯托克斯荧光的步骤与激发光的发射频率同步。
进一步的，所述温度探针为YAG:Ce粉末，其用于掺入被测系统中或涂抹于被测物体表面。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明提供的单点荧光测温装置及测温方法通过将YAG:Ce粉末掺入被测物体或涂抹到被测物体表面作为荧光温度探针，通过将作为热源的脉冲激光照射到被测系统或被测物体上产生瞬变温度场，同时，通过荧光激发光源实现荧光温度探针的多声子辅助激发（multiphonon-assisted excitation），多声子辅助激发即激发光波长小于材料特征的零声子线波长（λex < λZPL），不同于常规的吸收带内激发，本发明中荧光温度探针同时吸收一个入射光子和多个声子的能量实现激发，从而使得荧光温度探针受激发后发射的荧光出现反斯托克斯荧光，采用本发明的方案不仅可增强反斯托克斯荧光的温度依赖特性，而且可以提高高温下的测温精度。
同时，本发明装置采用同步控制的高重复频率的激发光源和高速光谱探测设备，可同时实现荧光探针的高速激发以及相应荧光发射谱的实时采样， 因而可获得高达5kHz的温度采样速率，相应的时间分辨可小至200μs。如此高的采样速率保证了对大多数瞬变温度场可实现单次测量，从而节约大量测量时间，提高效率。
附图说明：
图1为本发明提供的单点荧光测温装置示意图。
图中标记：10-荧光激发源，20-热源激光器，30-光谱探测设备，40-同步控制装置，50-控制器，61-第一透镜，62-第二透镜，63-第三透镜，64-第四透镜，65-第五透镜，66-第六透镜，67-第七透镜，71-第一反射镜，72-第二反射镜，80-被测物体， 91-带阻光滤波器。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1：如图1所示，本实施例提供一种单点荧光测温装置，包括，
温度探针，所述温度探针为YAG:Ce（Y3Al5O12:Ce）粉末，其用于掺入被测系统中或涂抹于被测物体80表面；
热源激光器20，用于发射激光脉冲至被测系统或被测物体80上产生瞬变温度场；
荧光激发源10，用于发射激发光至被测物体80，以使得处于瞬变温度场中的温度探针受激发后发射反斯托克斯荧光及斯托克斯荧光；
光谱探测设备30，用于采集接收温度探针受激发后发射的反斯托克斯荧光及斯托克斯荧光；具体的，该光谱探测设备30可采用光谱仪实现。
同步控制装置40，用于同步控制所述荧光激发源10及光谱探测设备30；本实施例中，采用脉冲发生器DG535作为同步控制装置40。
控制器50，用于接收所述光谱探测设备30采集到的反斯托克斯荧光及斯托克斯荧光强度值并记录、分析，控制器50还根据反斯托克斯荧光与斯托克斯荧光的强度比的标定值，结合采集时间得出被测系统或被测物体80时间分辨的温度，该控制器50具体可以由一控制芯片、PC机、服务器或者智能手持设备来实现。
具体的，热源激光器20发射的激光脉冲经第五透镜65、第六透镜66准直后，经第七透镜67聚焦至被测物体80，在被测系统或被测物体80的待测温区域产生瞬变温度场。所述荧光激发源10发射的激发光经第一透镜61、第二透镜62准直后，再经第一反射镜71、第二反射镜72反射，并经第三透镜63聚焦至被测物体80的待测温区域；所述温度探针受激发后发射的反斯托克斯荧光及斯托克斯荧光顺序经过第四透镜64及一带阻光滤波器91后耦合入光纤，并经光纤传输至所述光谱探测设备30；光谱探测设备30（如光谱仪）接收并测定反斯托克斯荧光及斯托克斯荧光的光强后，将该数据传输至控制器50，控制器50记录相关数据，并根据反斯托克斯荧光与斯托克斯荧光的强度比的预设标定值，结合采集时间得出被测系统或被测物体80时间分辨的温度。所述激发光具有指定重复频率及指定波长，带阻光滤波器91的带阻宽度为指定波长±10nm。本实施例中，所述激发光的重复频率为5kHz，波长为532nm的纳秒激光；优选的，光滤波器可以是532nm±10nm带阻滤光片；本实施例提供的测温装置可实现高速的温度采样速率：1Hz ~ 5kHz，可实现单次测量；时间分辨率可达200μs ~1s；测温范围可达室温 ~ 700K；单次测量下的测温精度在室温下可达4K，693K时约为8K。
实施例2：本实施例提供一种测量精度高、采样速率高的非接触式单点荧光测温方法，包含如下步骤：
包含针对特定温度探针，将反斯托克斯荧光与斯托克斯荧光的强度比与温度进行标定的步骤；
包含将温度探针掺入被测系统或涂抹与被测物体80表面的步骤；（以上两个步骤不分前后）
包含发射激光脉冲至被测系统或被测物体80产生瞬变温度场的步骤；
包含发射激发光至被测系统或被测物体80，以使得处于瞬变温度场中的温度探针受激发后发射反斯托克斯荧光及斯托克斯荧光；
包含采集所述反斯托克斯荧光及斯托克斯荧光并检测其强度的步骤；
包含根据反斯托克斯荧光的强度及斯托克斯荧光的强度获取被测物体80温度的步骤。
所述激发光具有指定频率及指定波长；本实施例中，所述激发光的重复频率为5kHz，波长为532nm的纳秒激光；
同时，采集温度探针受激发后发射的反斯托克斯荧光、斯托克斯荧光的步骤与激发光的发射频率同步。
所述温度探针为YAG:Ce粉末，其用于掺入被测系统中或涂抹于被测物体80表面。本实施例提供的测温方法通过将YAG:Ce粉末掺入被测系统或涂抹到被测物体80表面作为荧光温度探针，通过将作为热源的脉冲激光照射到被测系统或被测物体80上产生瞬变温度场，同时，通过荧光激发光源实现荧光温度探针的多声子辅助激发激发（multiphonon-assisted excitation），多声子辅助激发即激发光波长小于材料特征的零声子线波长（λex< λZPL），不同于常规的吸收带内激发，本发明中荧光温度探针同时吸收一个入射光子和多个声子的能量实现激发，从而使得荧光温度探针受激发后发射的荧光出现反斯托克斯荧光，采用本发明的方案不仅可增强反斯托克斯荧光的温度依赖特性，而且可以提高高温下的测温精度。
同时，本发明装置采用同步控制的高重复频率的激发光源和高速光谱探测设备30，可同时实现荧光探针的高速激发以及相应荧光发射谱的实时采样， 因而可获得高达5kHz的温度采样速率，相应的时间分辨可小至200μs。如此高的采样速率保证了对大多数瞬变温度场可实现单次测量，从而节约大量测量时间，提高效率。
Claims (7)
1.一种单点荧光测温装置，其特征在于，包括，
温度探针，所述温度探针为YAG:Ce粉末，其用于掺入被测系统中或涂抹于被测物体表面；
热源激光器，用于发射激光脉冲至被测系统或被测物体上产生瞬变温度场；
荧光激发源，用于发射激发光至被测系统或被测物体，以使得处于瞬变温度场中的温度探针发射反斯托克斯荧光及斯托克斯荧光；
光谱探测设备，用于采集接收温度探针受激发后发射的反斯托克斯荧光及斯托克斯荧光；
同步控制装置，用于同步控制所述荧光激发源及光谱探测设备；
控制器，用于接收所述光谱探测设备采集到的反斯托克斯荧光及斯托克斯荧光强度值，并根据反斯托克斯荧光与斯托克斯荧光的强度比的标定值，结合采集时间得出被测系统或被测物体时间分辨的温度；
所述激发光的重复频率为5kHz，波长为532nm。
2.如权利要求1所述的单点荧光测温装置，其特征在于，所述热源激光器发射的激光脉冲经第五透镜、第六透镜准直后，经第七透镜聚焦至被测物体。
3.如权利要求1所述的单点荧光测温装置，其特征在于，所述荧光激发源发射的激发光经第一透镜、第二透镜准直后，再经第一反射镜、第二反射镜反射，并经第三透镜聚焦至被测物体。
4.如权利要求1所述的单点荧光测温装置，其特征在于，所述温度探针受激发后发射的反斯托克斯荧光及斯托克斯荧光顺序经过第四透镜及一带阻光滤波器后耦合入光纤，并经光纤传输至所述光谱探测设备。
5.如权利要求4所述的单点荧光测温装置，其特征在于，所述激发光具有指定频率及指定波长，所述带阻光滤波器的带阻宽度为指定波长±10nm。
6.如权利要求1所述的单点荧光测温装置，其特征在于，所述同步控制装置为脉冲发生器。
7.一种单点荧光测温方法，其特征在于，包含如下步骤：
包含针对特定温度探针，将反斯托克斯荧光与斯托克斯荧光的强度比与温度进行标定的步骤；
包含将温度探针掺入被测系统或涂抹与被测物体表面的步骤；
包含发射激光脉冲至被测系统或被测物体产生瞬变温度场的步骤；
包含发射激发光至被测系统或被测物体，以使得处于瞬变温度场中的温度探针受激发后发射反斯托克斯荧光及斯托克斯荧光；
包含采集所述反斯托克斯荧光及斯托克斯荧光并检测其强度的步骤；
包含根据反斯托克斯荧光的强度及斯托克斯荧光的强度获取被测物体温度的步骤；
所述激发光的重复频率为5kHz，波长为532nm；
同时，采集反斯托克斯荧光、斯托克斯荧光的步骤与激发光的发射频率同步；
所述温度探针为YAG:Ce粉末，其用于掺入被测系统中或或涂抹于被测物体表面。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610652669.8A CN106017722B (zh) | 2016-08-10 | 2016-08-10 | 一种单点荧光测温装置及测温方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610652669.8A CN106017722B (zh) | 2016-08-10 | 2016-08-10 | 一种单点荧光测温装置及测温方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN106017722A CN106017722A (zh) | 2016-10-12 |
| CN106017722B true CN106017722B (zh) | 2018-10-09 |
Family
ID=57134686
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610652669.8A Active CN106017722B (zh) | 2016-08-10 | 2016-08-10 | 一种单点荧光测温装置及测温方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN106017722B (zh) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106404211B (zh) * | 2016-11-09 | 2018-12-25 | 哈尔滨工程大学 | 一种不依赖激发光强的上转换荧光强度比测温方法 |
| CN106500864B (zh) * | 2016-11-09 | 2019-01-29 | 哈尔滨工程大学 | 一种使用高功率激光泵浦的上转换荧光强度比测温方法 |
| CN106908168B (zh) * | 2017-02-19 | 2018-12-28 | 燕山大学 | 一种基于钕离子近红外荧光的高灵敏度温度传感方法 |
| CN108020682A (zh) * | 2017-12-08 | 2018-05-11 | 南昌航空大学 | 一种光学无线加速度传感器 |
| CN111238661A (zh) * | 2020-03-17 | 2020-06-05 | 北京科易达知识产权服务有限公司 | 一种基于荧光余辉的非接触式测温方法及装置 |
| CN113155311B (zh) * | 2021-04-22 | 2023-04-11 | 中国工程物理研究院流体物理研究所 | 一种cars测温方法和装置 |
| CN113432753B (zh) * | 2021-08-30 | 2021-11-16 | 中国工程物理研究院流体物理研究所 | 一种利用荧光单峰宽度温度响应特性的测温方法 |
| CN113776690A (zh) * | 2021-09-16 | 2021-12-10 | 浙江大学 | 端部稀土离子Sm3+掺杂YAG单晶光纤荧光温度传感器 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7413341B1 (en) * | 2004-08-16 | 2008-08-19 | The Research Foundation Of State University Of New York | Imaging methods |
| CN102183316A (zh) * | 2010-12-10 | 2011-09-14 | 中国科学院安徽光学精密机械研究所 | 可调谐半导体激光吸收光谱温度实时监测仪 |
| CN104374755A (zh) * | 2014-10-23 | 2015-02-25 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于双向光路的激光诱导荧光成像技术定量测量湍流燃烧场oh基瞬态浓度分布的方法 |
| CN104390722A (zh) * | 2014-11-14 | 2015-03-04 | 北京航空航天大学 | 一种基于光纤传导的数字全息层析三维测温装置 |
| CN104535290A (zh) * | 2014-12-30 | 2015-04-22 | 黄真理 | 一种激光诱导荧光三维流体探测系统及探测方法 |
| CN105547516A (zh) * | 2016-01-07 | 2016-05-04 | 复旦大学 | 激光泵浦上转换荧光测温系统 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS59226840A (ja) * | 1983-06-07 | 1984-12-20 | Omron Tateisi Electronics Co | 温度計測装置 |
| JP6296958B2 (ja) * | 2014-10-15 | 2018-03-20 | アズビル株式会社 | 蛍光温度センサ |
-
2016
- 2016-08-10 CN CN201610652669.8A patent/CN106017722B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7413341B1 (en) * | 2004-08-16 | 2008-08-19 | The Research Foundation Of State University Of New York | Imaging methods |
| CN102183316A (zh) * | 2010-12-10 | 2011-09-14 | 中国科学院安徽光学精密机械研究所 | 可调谐半导体激光吸收光谱温度实时监测仪 |
| CN104374755A (zh) * | 2014-10-23 | 2015-02-25 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于双向光路的激光诱导荧光成像技术定量测量湍流燃烧场oh基瞬态浓度分布的方法 |
| CN104390722A (zh) * | 2014-11-14 | 2015-03-04 | 北京航空航天大学 | 一种基于光纤传导的数字全息层析三维测温装置 |
| CN104535290A (zh) * | 2014-12-30 | 2015-04-22 | 黄真理 | 一种激光诱导荧光三维流体探测系统及探测方法 |
| CN105547516A (zh) * | 2016-01-07 | 2016-05-04 | 复旦大学 | 激光泵浦上转换荧光测温系统 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| PLIF法定量测量甲烷-空气火焰二维温度场分布;关小伟等;《强激光与粒子束》;20050228;第17卷(第2期);第173-176页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN106017722A (zh) | 2016-10-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106017722B (zh) | 一种单点荧光测温装置及测温方法 | |
| JP6616432B2 (ja) | マルチパルスレーザー誘起プラズマスペクトル分析機器を採用して鉄鋼サンプル成分を検出する方法 | |
| CN102384836B (zh) | 激光多参数实时测量装置 | |
| CN101936896B (zh) | 一种乙醇气体浓度激光遥测装置 | |
| CN101493416B (zh) | 水下激光拉曼/激光诱导击穿光谱联合探测装置与方法 | |
| CN106030289A (zh) | 手持式激光诱导击穿光谱装置 | |
| CN102590159A (zh) | 基于单光子计数的瞬态荧光寿命测量方法及测量系统 | |
| US20160169805A1 (en) | Combined raman spectroscopy and laser-induced breakdown spectroscopy | |
| CN106645078A (zh) | 一种LIBS‑Raman联合的水下原位探测装置及探测方法 | |
| CN111208085A (zh) | 多激光气体探测装置 | |
| CN112285027B (zh) | 基于单音叉探测的光声光热双光谱气体传感装置及方法 | |
| CN111024663B (zh) | 用于流场诊断的快速荧光寿命成像系统及方法 | |
| CN201273880Y (zh) | 无损检测激光晶体掺杂浓度的装置 | |
| JP2012032388A (ja) | 金属表面付着成分の濃度計測方法および装置 | |
| CN107907517A (zh) | 基于荧光寿命的薄膜材料热物性测量系统及方法 | |
| JP2014025774A (ja) | 光線力学診断装置、光線力学診断方法及びデバイス | |
| CN112782279A (zh) | 非接触式热声成像方法与装置 | |
| CN219285417U (zh) | 一种水下高重频激光测距与libs联合探测系统 | |
| CN208654031U (zh) | 一种荧光物质检测装置 | |
| CN104458577A (zh) | 基于红外热像仪的气体遥测装置 | |
| CN211825691U (zh) | 用于流场诊断的快速荧光寿命成像系统 | |
| CN107782713A (zh) | 一种可实现激光脉宽从飞秒到皮秒连续变化的激光诱导等离子体光谱分析设备 | |
| JP3579628B2 (ja) | 葉のクロロフィル含量推定方法およびこれを利用した推定装置 | |
| Dowling et al. | Whole-field fluorescence lifetime imaging with picosecond resolution using ultrafast 10-kHz solid-state amplifier technology | |
| CN105044045A (zh) | 利用光谱分析检测角膜切削阈值的激光系统及检测方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |