CN108489631B - 一种吸收光谱强度比测温方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种吸收光谱强度比测温方法，主要阐明利用固体材料的光吸收峰强度比测量绝对温度的一种方法及相应的测温器件。方法步骤为：步骤一、选取具有热耦合初态能级的固体材料；步骤二、计算温度T时材料热耦合初态能级参与跃迁的两个光吸收峰强度的比例值R；步骤三、拟合计算出lnR~1/T的关系函数即为温度传感方程。将所用材料涂覆在被测物体上或光纤端面上则构成温度监测膜层或单点测温探头。本发明的技术效果是：测温范围广，稳定性好，精度高，光信号抗干扰，可无线传输。

Description

一种吸收光谱强度比测温方法
技术领域
本发明涉及温度的光学测量方法与器件，具体涉及一种吸收光谱强度比测温方法及其相应的温度传感器件。
背景技术
利用材料光学性质的温度敏感性实现温度传感的方法具有诸多优点，包括光学无线、电磁免疫和本征安全等。
常见用于光学温度传感的一类敏感材料是荧光材料，可以利用的荧光特征有峰值波长位置、谱峰半高全宽、谱峰之间的强度比、荧光寿命等。但受光强温度猝灭限制，荧光温度传感的高温限一般低于500摄氏度。某些原子气体内有热耦合的能级同时参与跃迁，因为热耦合的两个或几个能级上的粒子布居符合玻尔兹曼分布，这些跃迁体现出来的吸收双峰强度比或发射双峰强度比也能反映气体温度。但气体难以作为独立的温度传感器的敏感材料而存在。
本发明给出一种光学测温方法与器件：选取具有热耦合初态能级、同时具有大的吸收截面的固体材料作为温度敏感材料，它的温度传感特性受玻尔兹曼分布律支配；将该固体材料涂覆在被测物体上或光纤端面上则构成温度监测膜层或单点测温探头。本发明与荧光测温方法相比，测温的高温极限更大；与原子气体吸收光谱测温方法相比，器件化较方便，且具有更好的稳定性、重复性和可靠性。
发明内容
本发明目的在于：提出一种吸收光谱强度比测温方法，具有光测方法的典型优点如免疫电磁干扰、可无线测量、本征安全，同时稳定可靠，较荧光测温方法有更大的测温范围，尤其是有更高的传感高温极限。
本发明的技术方案如下：一种吸收光谱强度比测温方法，它基于合适的固体材料，通过测量材料的光吸收峰强度比计算出绝对温度，其特征在于方法步骤为：
步骤一、选取具有热耦合初态能级、吸收截面大的固体材料；热耦合初态能级是指热平衡状态下所述的固体材料中包括基态能级或者靠近基态能级的这样两个能级，它们上面的粒子数布居符合玻尔兹曼分布规律；
步骤二、在不同的已知温度T条件下测量固体材料热耦合初态能级参与跃迁的两个光吸收峰强度的比例值R；
步骤三、拟合计算出lnR～1/T的关系函数即为温度传感方程；吸收谱线的强度记为Iij(i表示初态，j表示末态)，速率方程为
Iij∝BijvijNi
式中，Bij为爱因斯坦的受激吸收跃迁系数；vij为吸收光的频率；Ni为初态能级上的粒子布居数；Bij与vij近似是常数，粒子占据不同两个初态能级的概率符合玻尔兹曼分布：
Figure BDA0001592866600000021
其中，E21为初态两能级的能级差；kB为玻尔兹曼常量；T为热力学温度。综合以上两式可以得到
Figure BDA0001592866600000031
热平衡条件下，C1为仅与材料有关的常数，R为两个光吸收峰强度的比例值；对上式两边取自然对数，可得到lnR～1/T线性关系，即传感方程；
步骤四、将所述固体材料置于未知温度环境，测量步骤二所述的两个光吸收峰强度的比例值R，代入由步骤三所得到的传感方程，进而得到待测温度值。
所述的固体材料为稀土化合物固体材料、过渡金属固体材料、半导体固体材料、或有机固体材料。
所述的光吸收峰强度由测量吸收光谱、反射光谱、透射光谱、或激发光谱得到，也可以直接测量两个确定波长的光的吸收、反射、或透射。
所述的固体材料是所述光学测温器件的敏感材料，接触被测物体或者处于被测环境之中。
所述光学测温器件分离出所述光吸收峰并测量它们的强度比。
本发明的实质是利用了热平衡状态下粒子布居的玻尔兹曼分布规律对吸收光谱的影响。
本发明的有益效果：本发明既具有光测方法的典型优点如免疫电磁干扰、可无线测量、本征安全，同时较荧光测温方法有更大的测温范围，尤其是有更高的测温高温极限；较黑体辐射测温有更高的精度；较原子气体吸收光谱测温有更好的稳定性、重复性和可靠性。
附图说明
图1为以Ho2O3材料为例得到的温度传感方程。
图2为一种光学测温器件的构造示意图。它包括 1、光源 2、温度敏感固体材料 3、滤色分光元件 4、光电转换元件 5、信号处理与显示部件。
具体实施方式
本发明提供一种光吸收峰强度比测温的方法与器件。以一种稀土化合物固体材料的温度传感应用为例，具体描述如下：
选取基态能级分裂为多个热耦合能级、在可见光范围的光吸收明显的固体材料，例如一种稀土氧化物Ho2O3，它的基态5I8分裂成多个热耦合能级，其中两个能级向上能级5F5的吸收跃迁分别对应于波长为638nm(λ1)和668nm(λ2)的吸收峰。
渐次改变Ho2O3薄层的温度，测量和记录上述两个光吸收峰的强度Iλ1和Iλ2，计算出不同温度下测得的强度比R＝Iλ1/Iλ2。
基于温度与所测强度比的对应数据，拟合计算出lnR～1/T的关系函数，即为温度传感方程，如图1所示。
将Ho2O3材料置于未知温度环境，测量以上所述的波长分别为λ1和λ2的两个光吸收峰强度的比例值R，代入以上得到的温度传感方程，即可得到待测温度值。此时，携带温度信息的是光信号，它在自由空间中传播、被光谱分析装置接收处理，因此构成一种无线的光学测温方法，而Ho2O3材料本身就是最简单的温度敏感器件。
实际可用的温度敏感固体材料还包括其他稀土化合物固体材料、过渡金属固体材料、半导体固体材料、或有机固体材料。
光吸收峰强度可以从固体材料的吸收光谱、反射光谱、透射光谱、或激发光谱上读取，也可以直接测量两个确定波长的光的吸收、反射、或透射。例如，如图2所示，以光源1发出的连续谱白光照射温度敏感固体材料2的Ho2O3膜片，滤色分光元件3采用干涉式窄线宽滤色片，直接从反射光中分离出波长为λ1和λ2的两束光，它们相对于入射光中相同波长成分的强度变化就是两个光吸收峰的强度，光电转换元件4将两路光信号转换为反映光吸收峰强度Iλ1和Iλ2的电信号，经信号处理与显示部件5处理并还原显示出温度值。
Ho2O3膜片粘贴于光纤端面，以光波导元件构造出如图2的结构，则形成接触式单点光纤温度计。
本发明不限于以上实施方式。

Claims (5)

1.一种吸收光谱强度比测温方法，它基于合适的固体材料，通过测量材料的光吸收峰强度比计算出绝对温度，其特征在于方法步骤为：
步骤一、选取具有热耦合初态能级的固体材料；
步骤二、在不同的已知温度T条件下测量固体材料热耦合初态能级参与跃迁的两个光吸收峰强度的比例值R；
步骤三、拟合计算出lnR～1/T的关系函数即为温度传感方程；
步骤四、将所述固体材料置于未知温度环境，测量步骤二所述的两个光吸收峰强度的比例值，代入由步骤三所得到的传感方程，进而得到待测温度值。
2.根据权利要求1所述的一种吸收光谱强度比测温方法，其特征在于：所述的热耦合初态能级是指热平衡状态下所述的固体材料中包括基态能级或者靠近基态能级的这样两个能级，它们上面的粒子数布居符合玻尔兹曼分布规律。
3.根据权利要求1所述的一种吸收光谱强度比测温方法，其特征在于：所述的固体材料为稀土化合物固体材料、过渡金属固体材料、半导体固体材料、或有机固体材料。
4.根据权利要求1所述的一种吸收光谱强度比测温方法，其特征在于：所述的光吸收峰强度由测量吸收光谱、反射光谱、透射光谱、或激发光谱得到，或者直接测量两个确定波长的光的吸收、反射、或透射。
5.根据权利要求1所述的一种吸收光谱强度比测温方法，其特征在于：所述的固体材料是光学测温器件的敏感材料，接触被测物体或者处于被测环境之中。
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