CN109468133A - 一种提高光学测温技术在高温区间灵敏度的温度敏感材料及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种提高光学测温技术在高温区间灵敏度的温度敏感材料及其使用方法，本发明涉及一种提高光学测温技术在高温区间灵敏度的温度敏感材料及其使用方法。本发明的目的是为了解决现有的稀土离子荧光强度测温技术在较高温度区间内的相对灵敏度会急剧衰减的问题，在463到783K的温度范围内，稀土Tb³⁺离子所发出的位于520‑565nm波段的荧光的强度和温度之间有单调对应关系，所以可以用来进行温度的表征。基于该方法，所获得的相对灵敏度在463K温度处可以达到1.12％K^‑1，明显优于目前常规光学方法所能达到的最高灵敏度，本发明应用于光学测温领域。

Description

一种提高光学测温技术在高温区间灵敏度的温度敏感材料及 其使用方法

技术领域

本发明涉及一种提高光学测温技术在高温区间灵敏度的温度敏感材料及其使用方法。

背景技术

众所周知，温度是非常重要的一个物理参量，它的国际单位是开尔文(K)。无论是在工业、农业、宇航业，还是在我们的日常生活中，它都发挥着或多或少的且不可替代的作用。因而，如何准确快速地获得这个参量变得异常关键，非常有意义。目前应用最为广泛的测温部件是热电偶和热电阻，不可否认的是，这些元件成本相对比较低廉，应用最为广泛，且研究历史悠久，可靠性高。然而，这些元件都是接触式测温部件，必须要和待测目标进行充分地接触，然后在达到热平衡之后方能给出最后的温度数值。因而这些元件的缺点是响应慢，且只能进行接触式测量。

为了解决这些问题，光学测温理论和方法应运而生，该类方法以光作为介质，来和温度之间建立起联系，从而能够表征温度。光学测温方法由于以光作为介质，因而响应极其迅速，且无需和被测物体进行接触。考虑到三价稀土离子拥有众多的激发态，在不同的激发态之间可以产生许多跃迁而产生荧光，所以利用三价稀土离子的荧光来进行温度的表征被看作是最具有代表性的一类光学测温方法。然而，传统的基于三价稀土离子荧光的测温方法的相对灵敏度在高温区间衰减迅速，例如，基于Er³⁺离子绿色荧光进行测温的方法的相对灵敏度在463K温度处为0.46％K^-1，而在783K温度处仅为0.16％K^-1。通常情况下，相对灵敏度越高，温度分辨率越高，因而较小的相对灵敏度不利于温度分辨率的提高。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的稀土离子荧光强度测温技术在较高温度区间内的相对灵敏度会急剧衰减的问题，提供一种提高光学测温技术在高温区间灵敏度的温度敏感材料及其使用方法。

本发明一种提高光学测温技术在高温区间灵敏度的温度敏感材料为CaWO₄:Tb³⁺，其激发光源为405nm发光二极管。

本发明一种使用温度敏感材料提高光学测温技术在高温区间灵敏度的方法是按以下步骤进行：(1)制备CaWO₄:Tb³⁺温度敏感材料，并将该材料放置到加热台上，然后利用405nm发光二极管进行照射；(2)加热台分别在463、503、543、583、623、663、703、743和783K温度处进行加热，然后利用光谱仪对CaWO₄:Tb³⁺温度敏感材料在每个加热温度点所发射的荧光进行收集；(3)对每个温度点的荧光光谱的530-565nm范围进行积分得到荧光强度，从而得到荧光强度和温度之间的对应函数关系：I＝2345269*exp(-2417/T)，其中I为荧光强度，T是绝对温度；(4)将CaWO₄:Tb³⁺温度敏感材料放置于待测环境，将CaWO₄:Tb³⁺温度敏感材料在530-565nm波段的荧光强度代入上述函数，即得到待测环境的温度，完成所述的提高光学测温技术在高温区间灵敏度。

本发明首先涉及到CaWO₄:Tb³⁺温度敏感材料的制备，将称量好的粉末进行压片处理，采用传统简便的高温固相法进行制备，煅烧温度为1150℃，保温时间为6个小时，之后将煅烧后的荧光片固定到加热台的凹槽中。打开405nm激光二极管，将其作为激发光源对样品进行照射，加热台的温度变换区间为463K到783K，温度间隔为40K。在每个温度点处停留两分钟以便样片受热均衡，然后利用石英透镜将荧光进行收集，投射到单色仪的狭缝。经过分光后的荧光接着通过光电倍增管进行信号的放大并通过数据采集卡将数据采集到上位机中。将530-565nm波段的荧光强度进行积分作为发射荧光的强度，记为I。在463K到783K的温度区间内每隔40K就可以得到一个I数值，总共可以获得9个I数值。利用Origin数据处理软件将这9个I数值进行拟合，寻找最优拟合函数，发现这9个I数值可以用以下的函数关系进行很好地拟合：I＝A*exp(-B/T)，其中I为荧光带的积分强度，A和B均为常数，T为绝对温度值。最终的拟合结果为：I＝2345269*exp(-2417/T)。然后就可以将整个测试系统放置到其他的待测温度场，通过对530-565nm波段的荧光强度进行积分，然后将积分的强度数值带入到上述式子中，就可以得到待测温度T。

本发明的有益效果在于：

本发明通过制备合适的基质温度敏感材料CaWO₄:Tb³⁺，在发射中心波长为405nm的激光二极管的激发下，获得了Tb³⁺离子较强的位于绿色波段的下转换荧光，其中所涉及到的荧光带的中心波长为545nm。该荧光带的强度数值在463K到783K温度区间内和温度呈现非常好的函数关系，因而能够用来进行温度的测量。基于该方法，所获得的相对灵敏度在463K温度处可以达到1.12％K^-1，明显优于目前常规光学方法的相对灵敏度。

附图说明

图1为实施例1的温度敏感材料CaWO₄:Tb³⁺室温荧光谱；其中a为Tb³⁺的发射光谱，b为背景光谱；

图2为实施例1的温度敏感材料CaWO₄:Tb³⁺变温荧光谱，其中变温区间为463到783K，变温间隔为40K；其中c为463K，d为503K，e为543K，f为583K，g为623K，h为663K，i为703K，j为743K，m为783K；

图3为实施例1对Tb3+在不同温度下所发射出的荧光带的538-560区间进行积分的强度随温度的变化规律以及利用最小二乘法所获得的最优拟合曲线；n为实验数据，o为拟合曲线；

图4为实施例1一种提高光学测温技术在高温区间灵敏度的方法的相对灵敏度和常规的光学测温方法的相对灵敏度的对比；其中p是本实施例的相对灵敏度，q为常规方法的相对灵敏度。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种提高光学测温技术在高温区间灵敏度的温度敏感材料为CaWO₄:Tb³⁺，其激发光源为405nm发光二极管。

本实施方式首先涉及到CaWO₄:Tb³⁺温度敏感材料的制备，将称量好的粉末进行压片处理，采用传统简便的高温固相法进行制备，煅烧温度为1150℃，保温时间为6个小时，之后将煅烧后的荧光片固定到加热台的凹槽中。打开405nm激光二极管，将其作为激发光源对样品进行照射，加热台的温度变换区间为463K到783K，温度间隔为40K。在每个温度点处停留两分钟以便样片受热均衡，然后利用石英透镜将荧光进行收集，投射到单色仪的狭缝。经过分光后的荧光接着通过光电倍增管进行信号的放大并通过数据采集卡将数据采集到上位机中。将530-565nm波段的荧光强度进行积分作为发射荧光的强度，记为I。在463K到783K的温度区间内每隔40K就可以得到一个I数值，总共可以获得9个I数值。利用Origin数据处理软件将这9个I数值进行拟合，寻找最优拟合函数，发现这9个I数值可以用以下的函数关系进行很好地拟合：I＝A*exp(-B/T)，其中I为荧光带的积分强度，A和B均为常数，T为绝对温度值。最终的拟合结果为：I＝2345269*exp(-2417/T)。然后就可以将整个测试系统放置到其他的待测温度场，通过对530-565nm波段的荧光强度进行积分，然后将积分的强度数值带入到上述式子中，就可以得到待测温度T。

本实施方式的有益效果在于：

本实施方式通过制备合适的基质温度敏感材料CaWO₄:Tb³⁺，在发射中心波长为405nm的激光二极管的激发下，获得了Tb³⁺离子较强的位于绿色波段的下转换荧光，其中所涉及到的荧光带的中心波长为545nm。该荧光带的强度数值在463K到783K温度区间内和温度呈现非常好的函数关系，因而能够用来进行温度的测量。基于该方法，所获得的相对灵敏度在463K温度处可以达到1.12％K^-1，明显优于目前常规光学方法的相对灵敏度。

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(1)中所制备的CaWO4:Tb³⁺温度敏感材料中Tb³⁺的摩尔百分比为5％。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式一种使用温度敏感材料提高光学测温技术在高温区间灵敏度的方法是按以下步骤进行：(1)制备CaWO₄:Tb³⁺温度敏感材料，并将该材料放置到加热台上，然后利用405nm发光二极管进行照射；(2)加热台分别在463、503、543、583、623、663、703、743和783K温度处进行加热，然后利用光谱仪对CaWO₄:Tb³⁺温度敏感材料在每个加热温度点所发射的荧光进行收集；(3)对每个温度点的荧光光谱的530-565nm范围进行积分得到荧光强度，从而得到荧光强度和温度之间的对应函数关系：I＝2345269*exp(-2417/T)，其中I为荧光强度，T是绝对温度；(4)将CaWO₄:Tb³⁺温度敏感材料放置于待测环境，将CaWO₄:Tb³⁺温度敏感材料在530-565nm波段的荧光强度代入上述函数，即得到待测环境的温度，完成所述的提高光学测温技术在高温区间灵敏度。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：步骤(1)中CaWO4:Tb³⁺温度敏感材料的制备方法为高温固相法，煅烧温度为1150℃，保温时间为6个小时。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三或四不同的是：步骤(2)中加热台在每个温度点处停留2-3min。其它与具体实施方式三或四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三至五之一不同的是：步骤(3)中函数的拟合方法为：对每个温度点的荧光光谱的530-565nm范围进行积分得到荧光强度，记为I，在463K、503K、543K、583K、623K、663K、703K、743K和783K温度处各得到一个I数值，共获得9个I数值，然后利用Origin数据处理软件将这9个I数值进行拟合，得到最优拟合函数：I＝A*exp(-B/T)，其中I为荧光带的积分强度，A和B均为常数，T为绝对温度值，最终的拟合结果为：I＝2345269*exp(-2417/T)。其它与具体实施方式三至五之一相同。

通过以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：本实施例一种提高光学测温技术在高温区间灵敏度的方法是按以下步骤进行：(1)制备CaWO₄:Tb³⁺温度敏感材料，并将该材料放置到加热台上，然后利用405nm发光二极管进行照射；(2)加热台分别在463、503、543、583、623、663、703、743和783K温度处进行加热，然后利用光谱仪对CaWO₄:Tb³⁺温度敏感材料在每个温度点所发射的荧光进行收集；(3)对每个温度点的荧光光谱的530-565nm范围进行积分得到荧光强度，从而得到荧光强度和温度之间的对应函数关系：I＝2345269*exp(-2417/T)，其中I为荧光强度，T是绝对温度；(4)将CaWO₄:Tb³⁺温度敏感材料放置于待测环境，将CaWO₄:Tb³⁺温度敏感材料在530-565nm波段的荧光强度代入上述函数，即得到待测环境的温度。

本实施例首先涉及到CaWO₄:Tb³⁺温度敏感材料的制备，将称量好的粉末进行压片处理，采用传统简便的高温固相法进行制备，煅烧温度为1150℃，保温时间为6个小时，之后将煅烧后的荧光片固定到加热台的凹槽中。CaWO4:Tb³⁺温度敏感材料中Tb³⁺的摩尔百分比为5％。

打开405nm激光二极管，将其作为激发光源对样品进行照射，首先在室温下观测样品的发射荧光谱，图1所示为温度敏感材料CaWO₄:Tb³⁺室温荧光谱。可以看出，该发射谱由两部分组成，一部分是中心波长位于545nm的窄带发射峰，该荧光峰来自于Tb³⁺的⁵D₄激发态能级向基态能级跃迁所产生；另外一部分是漫包状的荧光带，这是样品受到短波长的405nm激光二极管的照射所发射的背景光谱，本发明所关心的是中心波长位于545nm的窄带发射峰。

进而测量CaWO₄:Tb³⁺温度敏感材料的变温荧光谱。加热台的温度变换区间为463K到783K，温度间隔为40K。在每个温度点处停留两分钟以便样片受热均衡，然后利用石英透镜将荧光进行收集，投射到单色仪的狭缝。经过分光后的荧光接着通过光电倍增管进行信号的放大并通过数据采集卡将数据采集到上位机中。图2所示为温度敏感材料CaWO₄:Tb³⁺所记录的温度点为463/503/543/583/623/663/703/743/783K。可以看到，随着温度由463K逐渐升高到783K，中心波长位于545nm的窄带发射峰在逐渐变高，强度在逐渐变大，并且呈现单调变化的规律。

在每个温度点可以对每个光谱的530-565nm范围进行积分得到强度，从而得到一系列的强度数值。这些强度数值和温度之间的关系呈现在图3。利用Origin数据处理软件将这一系列的离散点进行拟合，发现这些实验数据可以用以下的函数关系进行很好地拟合：I＝A*exp(-B/T)，其中I为荧光带的积分强度，A和B均为常数，T为绝对温度值。最终的拟合结果为：I＝2345269*exp(-2417/T)。

接着根据相对灵敏度的定义，本实施例利用中心波长位于545nm的窄带发射峰进行测温的相对灵敏度，如图4所示。由图中可以看出，基于该方法，所获得的相对灵敏度在463K温度处可以达到1.12％K^-1。作为对比，常规的光学方法在同样的温度处的相对灵敏度只有0.46％K^-1，显然，本实施例利用中心波长位于545nm的窄带发射峰进行温度测量明显优于目前常规光学方法的相对灵敏度，这也意味着更优的温度分辨率。

Claims (6)

1.一种提高光学测温技术在高温区间灵敏度的温度敏感材料，其特征在于该温度敏感材料为CaWO₄:Tb³⁺，其激发光源为405nm发光二极管。

2.根据权利要求1所述的一种提高光学测温技术在高温区间灵敏度的温度敏感材料，其特征在于CaWO4:Tb³⁺温度敏感材料中Tb³⁺的摩尔百分比为5％。

3.使用权利要求1所述的温度敏感材料提高光学测温技术在高温区间灵敏度的方法，其特征在于是按以下步骤进行：(1)制备CaWO₄:Tb³⁺温度敏感材料，并将该材料放置到加热台上，然后利用405nm发光二极管进行照射；(2)加热台分别在463、503、543、583、623、663、703、743和783K温度处进行加热，然后利用光谱仪对CaWO₄:Tb³⁺温度敏感材料在每个加热温度点所发射的荧光进行收集；(3)对每个温度点的荧光光谱的530-565nm范围进行积分得到荧光强度，从而得到荧光强度和温度之间的对应函数关系：I＝2345269*exp(-2417/T)，其中I为荧光强度，T是绝对温度；(4)将CaWO₄:Tb³⁺温度敏感材料放置于待测环境，将CaWO₄:Tb^{3 +}温度敏感材料在530-565nm波段的荧光强度代入上述函数，即得到待测环境的温度，完成所述的提高光学测温技术在高温区间灵敏度。

4.根据权利要求3所述的一种使用温度敏感材料提高光学测温技术在高温区间灵敏度的方法，其特征在于步骤(1)中CaWO4:Tb³⁺温度敏感材料的制备方法为高温固相法，煅烧温度为1150℃，保温时间为6个小时。

5.根据权利要求3所述的一种使用温度敏感材料提高光学测温技术在高温区间灵敏度的方法，其特征在于步骤(2)中加热台在每个温度点处停留2-3min。

6.根据权利要求3所述的一种使用温度敏感材料提高光学测温技术在高温区间灵敏度的方法，其特征在于步骤(3)中函数的拟合方法为：对每个温度点的荧光光谱的530-565nm范围进行积分得到荧光强度，记为I，在463K、503K、543K、583K、623K、663K、703K、743K和783K温度处各得到一个I数值，共获得9个I数值，然后利用Origin数据处理软件将这9个I数值进行拟合，得到最优拟合函数：I＝A*exp(-B/T)，其中I为荧光带的积分强度，A和B均为常数，T为绝对温度值，最终的拟合结果为：I＝2345269*exp(-2417/T)。