CN108489632B - 一种提高荧光强度比技术测温精度的方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高荧光强度比技术测温精度的方法，本发明涉及一种提高荧光强度比技术测温精度的方法。本发明的目的是为了解决目前常用的荧光强度比技术测温精度较低的问题，具体的内容包括：(1)选取稀土离子热耦合能级对；(2)利用分段拟合的方法对这两个荧光带的强度比值进行标定，再利用玻尔兹曼热统计分布理论对荧光强度比值和温度之间的关系进行拟合，每个温度区间均得到一个拟合函数；(3)根据适合的拟合函数计算待测温度值。本发明利用分段拟合的思想能够将测温精度提高至少一个数量级。本发明能够切实解决荧光强度比技术中传统的整体拟合方法测温精度较低的弊端，显著提高荧光强度比技术的测温精度，本发明应用于稀土荧光测温领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高荧光强度比技术测温精度的方法
背景技术
温度作为国际单位制中七个基本物理量之一，其重要性不言而喻。无论是在我们的日常生活中，还是在工业生产上，温度都扮演着非常重要的角色。于是，精准的温度测量方法一直是热点研究领域。传统的接触式温度传感器件必须和待测目标进行接触，然后等待足够长的时间才能够达到热平衡从而给出温度值，这大大限制了这类传统的接触式温度传感器在需要快速给出温度分布的领域的应用。而非接触式的光学温度传感器由于其非接触式的测温模式，较快的温度相应时间，近年来受到了研究人员的重点关注。
在新兴的非接触式的光学温度传感领域，荧光强度比测温技术由于其较强的抗干扰性吸引了人们的注意力。该方法基于一对热耦合能级对，从该热耦合能级对向下能级跃迁所产生的两束荧光的强度比值与温度之间的关系可以用玻尔兹曼热统计分布规律进行描述，从而使得这两束荧光的强度比值与温度之间存在一一对应的函数关系，因而可以用其进行温度的表征。
截止目前，在荧光强度比测温领域，无论待测温度的范围有多宽，人们总是习惯仅仅用一个玻尔兹曼热统计函数进行定标。然而，近些年的研究表明很多的物理机制都和温度有关，而玻尔兹曼热统计理论并不能完全描述热耦合能级对的荧光强度比值和温度之间的关系，因而传统的做法，即在一个较宽的温度范围内仅仅使用一个函数来进行定标测温将会导致明显的温度测量偏差，这个事实常常被研究人员所忽略，显然与光学温度高精度传感的最终目的背道而驰，难以推动荧光强度比测温技术在实际中的应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决在一个较宽的温度范围内仅仅使用一个函数来进行定标测温将会导致明显的温度测量偏差的问题，提供一种提高荧光强度比技术测温精度的方法。
本发明一种提高荧光强度比技术测温精度的方法是按以下步骤进行：
一、制备稀土离子掺杂的感温材料，得到测温样品；二、将测温的温度区间均匀分成n份，然后将测温样品放入冷热台，在每个温度区间内、激发光源下，对不同温度下稀土离子任意一对具有热耦合关系的能级到下能级辐射跃迁所产生的荧光带的强度进行积分，然后对两个荧光带的积分强度进行比值，再利用玻尔兹曼热统计分布理论对荧光强度比值和温度之间的关系进行拟合，每个温度区间均得到一个拟合函数；其中n≥4；三、将测温样品放置于待测环境，计算在待测环境下步骤二中两个荧光带的积分强度比值，根据步骤二的拟合函数的取值范围，选择适合的拟合函数，然后将两个荧光带的积分强度比值代入该拟合函数，即可得到待测环境的温度。
本发明的有益效果在于：
本发明通过将全温度量程划分为几个温度区间并在每个小的温度区间内分别进行函数拟合，从而将荧光强度比技术的测温精度提高至少一个数量级，将有力地推动荧光强度比测温技术在更多领域中的实用化。
附图说明
图1为实施例1采用传统的一个函数方程的方法得到的荧光强度比值和温度间的拟合结果；
图2为实施例1采用传统的一个函数方程的方法得到的温度偏差；
图3为采用实施例1提高荧光强度比技术测温精度的方法得到的在303到418K区间内荧光强度比值和温度间的拟合结果；
图4为采用实施例1提高荧光强度比技术测温精度的方法得到的在418到533K区间内荧光强度比值和温度间的拟合结果；
图5为采用实施例1提高荧光强度比技术测温精度的方法得到的在533到648K区间内荧光强度比值和温度间的拟合结果；
图6为采用实施例1提高荧光强度比技术测温精度的方法得到的在648到763K区间内荧光强度比值和温度间的拟合结果；
图7为采用实施例1提高荧光强度比技术测温精度的方法得到的温度偏差。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种提高荧光强度比技术测温精度的方法是按以下步骤进行：
一、制备稀土离子掺杂的感温材料，得到测温样品；二、将测温的温度区间均匀分成n份，然后将测温样品放入冷热台，在每个温度区间内、激发光源下，对不同温度下稀土离子任意一对具有热耦合关系的能级到下能级辐射跃迁所产生的荧光带的强度进行积分，然后对两个荧光带的积分强度进行比值，再利用玻尔兹曼热统计分布理论对荧光强度比值和温度之间的关系进行拟合，每个温度区间均得到一个拟合函数；其中n≥4；三、将测温样品放置于待测环境，计算在待测环境下步骤二中两个荧光带的积分强度比值，根据步骤二的拟合函数的取值范围，选择适合的拟合函数，然后将两个荧光带的积分强度比值代入该拟合函数，即可得到待测环境的温度。
本实施方式的有益效果在于：
本发明通过将全温度量程划分为几个温度区间并在每个小的温度区间内分别进行函数拟合，从而将荧光强度比技术的测温精度提高至少一个数量级，将有力地推动荧光强度比测温技术在更多领域中的实用化。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述的稀土离子掺杂的感温材料为具有热耦合能级对的稀土离子掺杂的且能够被980nm近红外激光二极管激发的荧光材料。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一所述的稀土离子掺杂的感温材料为掺杂Er3+离子的钨酸钙。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二所述的温度区间为10-1000k。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中激发光源为980nm近红外激光二极管。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中在每个温度区间内改变温度的温度间隔为20k。其它与具体实施方式一至五之一相同。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：本实施例一种提高荧光强度比技术测温精度的方法是按以下步骤进行：
一、制备稀土离子掺杂的感温材料，得到测温样品；二、将测温的温度区间303到763K平均分成四个温度区间，即303到418K，418到533K，533到648K，和648到763K，然后将测温样品放入冷热台，在每个温度区间内、激发光源下，每隔20k,对利2H11/2-4I15/2和4S3/2-4I15/2这两个跃迁所产生的的荧光带的强度进行积分，然后对两个荧光带的积分强度进行比值，再利用玻尔兹曼热统计分布理论对荧光强度比值和温度之间的关系进行拟合，每个温度区间均得到一个拟合函数(图3-6)；其中303到418K区间的拟合函数为FIR＝16.0*exp(-948.1/T)，其FIR取值范围为0.702-1.667；418到533K区间的拟合函数为FIR＝17.3*exp(-982.3/T)，其FIR取值范围为1.667-2.754；533到648K区间的拟合函数为FIR＝17.8*exp(-994.7/T)，其FIR取值范围为2.754-3.848；648到763K区间的拟合函数为FIR＝15.2*exp(-895.4/T)，其FIR取值范围为3.848-4.727；三、将测温样品放置于待测环境，计算在待测环境下步骤二中两个荧光带的积分强度比值，其积分强度比值若在0.702-1.667区间，则利用拟合函数为FIR＝16.0*exp(-948.1/T)计算待测温度；若在1.667-2.754区间，则利用FIR＝17.3*exp(-982.3/T)计算待测温度，若在2.754-3.848区间，则利用FIR＝17.8*exp(-994.7/T)计算待测温度，若在3.848-4.727区间，则利用FIR＝15.2*exp(-895.4/T)计算待测温度。
根据本实施例这四个函数以及标准温度值可以获得温度偏差。
本实施例设立对照组：将掺杂Er3+离子的钨酸钙样品放入冷热台上进行定标，温度的测量区间为303到763K，标定的温度间隔为20K，在选定的温度区间内逐渐升温，可以获得一系列的样品的荧光光谱，通过软件分析这些光谱可以计算2H11/2-4I15/2和4S3/2-4I15/2这两个荧光带的积分强度比值，从而获得一系列的荧光强度比值以及与之对应的温度值。利用玻尔兹曼热统计分布理论对一系列的荧光强度比值以及与之对应的温度值进行拟合(图1)，得到一个拟合函数，这个函数的形式如下：FIR＝16.9*exp(-967.8/T)，其中FIR表示2H11/2-4I15/2和4S3/2-4I15/2这两个荧光带的积分强度比值，T表示绝对温度值。利用这个拟合函数可以得到在每个温度处的测量偏差，如附图2所示。从图中可以看出最大的温度偏差在763K温度处能够达到5K，这显然不能够应用到高精度控温测温领域。这是采用传统的方法即采用一个函数进行拟合所获得的结果。
采用实施例1提高荧光强度比技术测温精度的方法在温度区间内得到的温度偏差如附图7所示，可以看到利用本发明所涉及的一种提高荧光强度比技术测温精度的方法所获得的测量精度相较于采用传统方法所获得的结果提高了至少一个数量级，在整个温度区间内，平均的温度偏差仅为0.2K，最大的温度偏差也仅有0.4K，和附图2中所获得的结果进行比较有了非常大的提升。
通过附图2和附图7的对比可以得知本发明所涉及的一种提高荧光强度比技术测温精度的方法切实有效，所得到的测温精度能够提高至少一个数量级，因而，从而使得该技术能够真正应用到需要高精度测温的领域。理论上讲，如果我们将303到763K的温度区间进一步细化分割，例如划分为5个温度区间，甚至划分成更多个温度区间，所得到的测温精度预计将会更进一步得到提升。并且本发明所涉及的一种提高荧光强度比技术测温精度的方法理论上对所有的热耦合能级对都适应，这是一种普适的方法。
Claims (6)
1.一种提高荧光强度比技术测温精度的方法，其特征在于是按以下步骤进行：
一、制备稀土离子掺杂的感温材料，得到测温样品；二、将测温的温度区间均匀分成n份，然后将测温样品放入冷热台，在每个温度区间内、激发光源下，对不同温度下稀土离子所产生的荧光带的强度进行积分，其中荧光带是由任意一对具有热耦合关系的能级到下能级辐射跃迁所产生的；然后对两个荧光带的积分强度进行比值，再利用玻尔兹曼热统计分布理论对荧光强度比值和温度之间的关系进行拟合，每个温度区间均得到一个拟合函数；其中n≥4；三、将测温样品放置于待测环境，计算在待测环境下步骤二中两个荧光带的积分强度比值，根据步骤二的拟合函数的取值范围，选择适合的拟合函数，然后将两个荧光带的积分强度比值代入该拟合函数，即可得到待测环境的温度。
2.根据权利要求1所述的一种提高荧光强度比技术测温精度的方法，其特征在于步骤一所述的稀土离子掺杂的感温材料为具有热耦合能级对的稀土离子掺杂的且能够被980nm近红外激光二极管激发的荧光材料。
3.根据权利要求1或2所述的一种提高荧光强度比技术测温精度的方法，其特征在于步骤一所述的稀土离子掺杂的感温材料为掺杂Er3+离子的钨酸钙。
4.根据权利要求1所述的一种提高荧光强度比技术测温精度的方法，其特征在于步骤二所述的温度区间为10-1000k。
5.根据权利要求1所述的一种提高荧光强度比技术测温精度的方法，其特征在于步骤二中激发光源为980nm近红外激光二极管。
6.根据权利要求1所述的一种提高荧光强度比技术测温精度的方法，其特征在于步骤二中在每个温度区间内改变温度的温度间隔为20k。
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