CN110057469A

CN110057469A - 一种用于测量光纤测温系统荧光寿命的方法

Info

Publication number: CN110057469A
Application number: CN201910098455.4A
Authority: CN
Inventors: 张文松; 刘帆; 朱香平
Original assignee: Xi'an And Its Polytron Technologies Inc
Current assignee: Xi'an And Its Polytron Technologies Inc
Priority date: 2019-01-31
Filing date: 2019-01-31
Publication date: 2019-07-26

Abstract

本发明属于荧光余辉信号解调领域，提供了一种用于测量光纤测温系统荧光寿命的方法，解决了现有荧光材料的荧光寿命测量方法存在测量结果不准确的问题。该方法包括以下步骤：1)测试荧光材料发射的背景信号，获得背景信号的采样数值；2)向荧光材料发射脉冲信号，获得多个荧光电信号的采样数值；3)将步骤2)中获得的荧光电信号的采样数值减去步骤1)中获得的背景信号的采样数值，获得不同时间段的消除背景信号的荧光电信号数值；4)将步骤3)中的多个荧光电信号数值通过最小二乘拟合，得到指数拟合曲线；5)在步骤4)得到的指数曲线上取相等的三段时间，分别对三段进行积分，得到S1、S2和S3；6)计算得到荧光寿命τ。

Description

一种用于测量光纤测温系统荧光寿命的方法

技术领域

本发明属于荧光余辉信号解调领域，特别是涉及一种用于测量光纤测温系统荧光寿命的方法。

背景技术

光能照射在荧光材料上，荧光材料内部发生电子能级跃迁，电子由激发态返回基态时，释放能量引起荧光材料的发光。

在荧光材料的发光过程中，特定的温度范围内，荧光材料的荧光寿命与温度有一定的对应关系，经研究，荧光强度随时间t衰减满足以下关系式：

I＝I₀e^-t/τ

式中，I表示时间为t时的荧光强度值，I₀表示t为0时的荧光强度值，e表示欧拉自然常数，t表示时间，τ表示荧光寿命。

但是，在实际应用中，荧光材料的荧光寿命曲线并不是完全的吻合指数衰减等式，测量得到的荧光寿命结果与实际使用时的寿命不一致，寿命不稳定会导致在实际应用中温度与荧光寿命不唯一对应，使得测温不精确。

发明内容

为了解决现有荧光材料的荧光寿命测量方法存在测量结果不准确，导致测温不精准的问题。本发明提供了一种用于测量光纤测温系统荧光寿命的方法。

实际应用中，在对荧光材料的荧光寿命进行检测时，荧光材料的荧光寿命曲线并不能完美的吻合指数衰减等式，测量得到的荧光寿命并不稳定，研究发现通道背景信号和噪声的干扰会对荧光寿命测量结果产生影响，本分发明提供的测量方法能降低背景信号和噪声对于测试结果的影响，在同等情况下减小荧光寿命测量结果的波动性。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种用于测量光纤测温系统荧光寿命的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)测试荧光材料发射的背景信号，在时间段S内进行积分采样，获得背景信号的采样数值；

2)向荧光材料发射脉冲信号，对接收的荧光电信号进行多段积分采样，获得多个荧光电信号的采样数值，所述多段积分采样时间均与时间段S相等；

3)将步骤2)中获得的荧光电信号的采样数值减去步骤1)中获得的背景信号的采样数值，获得不同时段的消除背景信号的荧光电信号数值；

4)将步骤3)中的多个荧光电信号数值通过最小二乘拟合，得到指数拟合曲线；

5)在步骤4)得到的指数拟合曲线上取相等的三段时间ΔT，分别对三段进行积分，得到S1、S2和S3；

6)通过以下公式计算荧光寿命τ：

其中，ΔT为每段积分的积分宽度，单位为s；

M＝(S1-S2)/(S2-S3)。

进一步地，在步骤3)和步骤4)之间还包括降低高斯噪声步骤，其具体为：

重复步骤1)、步骤2)和步骤3)进行多组采样，获得不同时段的多组消除背景信号的荧光电信号数值，对每个时段的多组消除背景信号的荧光电信号数值求平均值。

进一步地，所述降低高斯噪声步骤中，采样脉冲为连续采样脉冲。

进一步地，步骤5)中

其中，I_n为随机噪声引起的噪声信号。

进一步地，步骤2)中，所述多段积分采样为六段。

进一步地，步骤5)中

进一步地，步骤2)中，所述多段积分采样为六段。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明的测量方法降低了背景信号和噪声对于荧光寿命的影响，在同等条件下减少荧光寿命结果的波动性，提高测量的准确性。

2、本发明的测量方法接受荧光电信号采样选用多段积分采样，使得测试结果准确性高；本发明的测量方法操作简单方便，所需时间和现有差不多，却能增加荧光寿命准确性。

附图说明

图1为本发明荧光寿命测量方法中荧光电信号背景信号采样曲线图；

图2为本发明荧光寿命测量方法中荧光强度衰减和等时分段采样曲线图；

图3为本发明荧光寿命测量方法中对得到的指数曲线进行等时分段采样曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种用于测量光纤测温系统荧光寿命的方法，其包括以下步骤：

步骤1：如图1所示，首先不发射脉冲信号，在时间段S内进行积分采样，测试荧光材料的背景信号，进行积分采样。

步骤2：如图2所示，收发器向荧光材料发射脉冲信号，脉冲信号激发荧光材料后的荧光电信号被收发器接收，将所接受的荧光电信号进行分段积分采样，获得荧光电信号的分段采样数值，各分段的采样时间与背景信号采样时间S一样，优选6组时间段，分别为Sa、Sb、Sc、Sd、Se、Sf，且均与S相等，一种典型的分段方式是从荧光电信号最开始一段时候后将接下来的荧光电信号顺序分成六段，每段时间与荧光电信号背景信号积分时间一样，进行分段积分采样，将分段采样的数值分别减去荧光电信号的背景信号数值，得到不同时段的消除背景信号的荧光电信号数值。

步骤3：采用多次连续采样脉冲，重复步骤1和步骤2进行多组采样，获得不同时间段的多组不同时段的消除背景信号的荧光电信号数值，对每个时段的多组消除背景信号的荧光电信号数据求平均值，这样可以显著降低高斯噪声的干扰。

步骤4：将步骤3所得的各个时段的平均值进行最小二乘拟合，数学模型为指数函数，得到最相近的指数曲线。

步骤5：如图3所示，在得到的指数拟合曲线上取三段，三段时间一样，分别对这三段进行积分，得到S1、S2和S3。

得到

式中I_n为随机噪声引起的噪声信号，积分的平均效率使其大大降低而舍去不计。

步骤6：令(S1-S2)/(S2-S3)＝M。

得到

故

其中，ΔT为每段积分的积分宽度，单位为s；τ为荧光寿命。

图中横坐标为时间，纵坐标为光强度，快速准确的求得荧光余辉时间常数τ，或称荧光寿命τ，是提高基于荧光余辉原理的传感器检测性能的关键，该方法通过对荧光波形进行多段积分，解决现阶段对于荧光波形不稳定导致荧光寿命变化较大的问题。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims

1.一种用于测量光纤测温系统荧光寿命的方法，其特征在于，包括以下步骤：

6)通过以下公式计算荧光寿命τ：

其中，ΔT为每段积分的积分宽度，单位为s；

M＝(S1-S2)/(S2-S3)。

2.根据权利要求1所述的用于测量光纤测温系统荧光寿命的方法，其特征在于：在步骤3)和步骤4)之间还包括降低高斯噪声步骤，其具体为：

3.根据权利要求2所述的用于测量光纤测温系统荧光寿命的方法，其特征在于：所述降低高斯噪声步骤中，采样脉冲为连续采样脉冲。

4.根据权利要求1或2或3所述的用于测量光纤测温系统荧光寿命的方法，其特征在于：步骤5)中

其中，I_n为随机噪声引起的噪声信号。

5.根据权利要求4所述的用于测量光纤测温系统荧光寿命的方法，其特征在于：步骤2)中，所述多段积分采样为六段。

6.根据权利要求1或2或3所述的用于测量光纤测温系统荧光寿命的方法，其特征在于：步骤5)中

7.根据权利要求6所述的用于测量光纤测温系统荧光寿命的方法，其特征在于：步骤2)中，所述多段积分采样为六段。