CN110146194B - 一种基于混合感温材料的荧光强度比测温方法 - Google Patents

Abstract

一种基于混合感温材料的荧光强度比测温方法，本发明涉及一种基于混合感温材料的荧光强度比测温方法。本发明的目的是为了解决在高温区间的测温方法不能兼具高灵敏度和低不确定度的问题，方法：(1)以Eu³⁺:AVO₄与Cr³⁺:Al₂O₃混合材料为感温材料；(2)在543至673K温度区间内，荧光强度比I₆₁₈/I₆₉₄随温度的升高逐渐增大，且与温度T存在单调的函数关系，可以用多项式拟合，则可以通过监测荧光强度比值来实现测温的目的。本发明的测温方法具有很好的重复性、高灵敏度和低不确定度。本发明应用于稀土荧光测温领域。

Description

一种基于混合感温材料的荧光强度比测温方法

技术领域

本发明涉及一种基于混合感温材料的荧光强度比测温方法。

背景技术

为了满足科学研究及工业生产中某些环境下对温度测量的需要，荧光温度传感技术这种基于荧光材料的测温方法有着重要的应用价值，可以实现对温度非接触式、长期、稳定和精确的温度测量。

荧光强度比测温技术(FIR)是荧光温度传感技术中应用最为广泛的一种，此方法利用了激发态的稀土离子的两个相邻的热耦合能级向某一低能级跃迁时发射的荧光强度的比值来测温，采用这种比值的方法测温具有抗干扰、噪声小、成本低的优点，这两个相邻的上能级称为热耦合能级对(TCL)。FIR技术中，两个荧光强度的大小与能级上热布局的粒子数成正比，而热布局的粒子数满足玻尔兹曼分布，因此荧光强度的比值满足公式FIR＝Aexp(-ΔE/kT)。式中，FIR表示荧光强度比值、ΔE为两个热偶和能级之差、k为玻尔兹曼常数、T为温度。由此公式可以得出，FIR技术的测温相对灵敏度为S_r＝ΔE/kT²。

目前，荧光强度比测温技术仍然存在一些问题使得这种技术在实际应用中比较困难。由FIR原理可知，当感温材料选定时，热耦合能级对是确定的一对能级，即能级差ΔE是常数，则测温灵敏度S_r＝ΔE/kT²也是确定的。则相对灵敏度S_r是与1/T²是成正比的，这个函数关系决定了，随着温度的升高，S_r会急剧下降，难以在高温区获得高灵敏度。

因此,为了获得更高的测温灵敏度，通常需要选择能级差ΔE更大的材料。但是，由于能级上的粒子数之比正比于exp(-ΔE/kT)，ΔE增大时两个能级布局的粒子数相差很大，热耦合能级对的上能级辐射的荧光强度很弱，两个荧光谱带的荧光强度甚至相差1-2个数量级，即增大了相对灵敏度的同时增大了测温不确定度，所以通常要求所选的两个热耦合能级之差ΔE要小于2000cm^-1。

但是，对测温方法的评价不仅包括测温灵敏度，其测温精度、不确定度更为重要，是衡量测温系统的重要参数，我们需要提升相对灵敏度并降低测温不确定度。荧光强度比测温方法在某一温度下的不确定度定义为ΔT，则荧光强度比FIR与相对测温不确定度ΔT以及测温灵敏度S_r之间就可以建立如下关系

由误差传递公式可知

荧光强度比的不确定性是由两个荧光谱带的荧光强度的不确定性共同决定的，因此一个荧光谱带的强度减弱会导致整个测温不确定度增大，即测温精度降低。在FIR技术中，提高灵敏度的同时，由于热耦合能级对的能级之间能量差增大，ΔFIR/FIR也会增大，就会同时增大测温的不确定度。因此，单一的提高灵敏度对测温系统的性能提升并不具有实际意义，具有很大的局限性。此外，当ΔE减小时，FIR公式又不完全满足玻尔兹曼分布，此时公式中需要加入修正项，变为FIR＝Aexp(-ΔE/kT)+B，修正项B的引入会引起测量误差的增大，导致测温结果不准确，当ΔE减小时，相对灵敏度也会降低。因此FIR测温技术难以同时满足具有较高的测温灵敏度和测温准确性的要求。

因此，为了使得荧光强度比测温技术更好的应用到测温领域中，我们需要寻找一种新的测温方法来避免上述问题的出现。

发明内容

本发明的目的是为了解决在高温区间的测温方法不能兼具高灵敏度和低不确定度的问题，提供一种基于混合感温材料的荧光强度比测温方法。

本发明一种基于混合感温材料的荧光强度比测温方法，按以下步骤进行：

一、将Eu³⁺:AVO₄与Cr³⁺:Al₂O₃混合，得到感温材料；

二、将感温材料放入冷热台，以405nm激光器发出的近紫外光作为激发光源，在543至673K温度区间内利用618nm和694nm的两个荧光带的积分强度比值进行温度定标，得到温度标定曲线；

三、将感温材料放置于待测环境，利用温度标定曲线进行待测温度的测量，即完成测温方法。

本发明基于Eu³⁺:AVO₄与Cr³⁺:Al₂O₃混合材料的荧光强度比测温方法，是基于下述硬件系统实现的，硬件系统包括405nm激光器、透镜、Eu³⁺:AVO₄/Cr³⁺:Al₂O₃混合感温涂层材料、600nm截止滤光片、光谱仪、计算机。405nm激光器发出的近紫外光经过凸透镜汇聚照射到混合感温涂层材料上，Eu³⁺:AVO₄/Cr³⁺:Al₂O₃所发射的荧光通过凸透镜汇聚入射到成像光谱仪中，光谱仪探测器前加一个600nm的截止滤光片，消除光源的干扰，光谱仪连接计算机进行数据处理，给出待测量的温度值。

本发明基于Eu³⁺:AVO₄与Cr³⁺:Al₂O₃混合材料的荧光强度比测温方法具体过程是：405nm激光器发出的近紫外光作为激发光源，经过透镜汇聚到Eu³⁺:AVO₄/Cr³⁺:Al₂O₃感温涂层材料上，稀土离子Eu³⁺及过渡族金属离子Cr³⁺被激发出荧光，荧光经过凸透镜汇聚、经过滤光片滤掉600nm以下的杂散光再耦合到成像光谱仪的光纤中。光谱仪所探测的荧光来源于Eu³⁺离子的⁵D₀到⁷F₂能级以及Cr³⁺离子的²E到⁴A₂能级的辐射跃迁，成像光谱仪监测位于618nm和694nm的两个荧光峰。随着温度的升高，位于618nm处的Eu³⁺离子辐射的荧光谱带逐渐增强，位于694nm处的Cr³⁺离子辐射的荧光谱带逐渐减弱，则荧光强度比FIR为I₆₁₈/I₆₉₄，此时发生辐射跃迁的这两个能级不是热耦合能级对。在543至673K温度区间内，荧光强度比FIR随温度的升高逐渐增大，且与温度T存在单调的函数关系，可以用多项式拟合，因此一个FIR值对应唯一的温度值T，则可以通过监测荧光强度比值来实现测温的目的。将感温材料直接置于待测温度场中，监测发射出的荧光，采集荧光的成像光谱仪连接到计算机，计算机对采集到的光谱进行分析处理，计算并记录FIR的数值，根据荧光强度比温度曲线给出待测温度值。也可以将感温材料涂覆在固定要监测的温度场表面，通过光纤束或CCD同时采集整个温度场的荧光，给出温度场的温度分布情况。

有益效果：本发明选用的Eu³⁺:AVO₄/Cr³⁺:Al₂O₃混合感温涂层材料能够采用405nm激发且同时获得两个极强的荧光谱带，这是因为Eu³⁺与Cr³⁺都是荧光量子效率极高的发光离子。采用下转换激励方式能够消除激光泵浦功率的影响，获得更稳定的温度测量结果。随着温度的升高，Eu³⁺:AVO₄的荧光增强，而同时Cr³⁺:Al₂O₃的荧光减弱，两个荧光谱带的强度变化规律相反，具有更高的测温灵敏度。在已具有高灵敏度的同时，由于两个荧光谱带的荧光强度很强，探测器探测的荧光强度不确定度小，使得本发明的测温方法具有很低的不确定度，在633K这个较高的温度，本发明的测温方法响应时间短，最快可达30ms，适当延长响应时间能够降低测温不确定度，在响应时间1s时，即可获得6mK的不确定度。采用Eu³⁺:AVO₄/Cr³⁺:Al₂O₃混合感温涂层材料，可以将感温材料直接涂覆在待测物体表面，实现温度场分布的测量。在升温降温循环实验中表明，本发明的测温方法具有很好的重复性。且本发明，通过延长响应时间可以获得更低的测温不确定度，针对不同的测温需求，通过调节系统响应时间与测温不确定度可以获得最优化的测量方案。从而改变系统最佳的温度测量范围，提高了本发明测温系统应用的灵活性。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图，其中：1是405nm激光、2是透镜、3是Eu³⁺:AVO₄/Cr^{3 +}:Al₂O₃混合感温涂层、4是透镜、5是600nm截止滤光片、6是成像光谱仪、7是计算机；

图2为变温荧光光谱；其中a为543K，b为633K，c为673K、x为Eu³⁺:GdVO₄、y为Cr³⁺:Al₂O₃；

图3为荧光强度比温度曲线图；

图4为相对灵敏度温度曲线图；

图5为实施例1测温方法的测温响应时间曲线图；d为T_FIR，e为炉温；

图6为实施例1测温方法的不确定度；

图7为实施例1升降温循环测试曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种基于混合感温材料的荧光强度比测温方法，按以下步骤进行：

一、将Eu³⁺:AVO₄与Cr³⁺:Al₂O₃混合，得到感温材料；

二、将感温材料放入冷热台，以405nm激光器发出的近紫外光作为激发光源，在543至673K温度区间内利用618nm和694nm的两个荧光带的积分强度比值进行温度定标，得到温度标定曲线；

三、将感温材料放置于待测环境，利用温度标定曲线进行待测温度的测量，即完成测温方法。

本实施方式选用的Eu³⁺:AVO₄/Cr³⁺:Al₂O₃混合感温涂层材料能够采用405nm激发且同时获得两个极强的荧光谱带，这是因为Eu³⁺与Cr³⁺都是荧光量子效率极高的发光离子。采用下转换激励方式能够消除激光泵浦功率的影响，获得更稳定的温度测量结果。随着温度的升高，Eu³⁺:AVO₄的荧光增强，而同时Cr³⁺:Al₂O₃的荧光减弱，两个荧光谱带的强度变化规律相反，具有更高的测温灵敏度。在已具有高灵敏度的同时，由于两个荧光谱带的荧光强度很强，探测器探测的荧光强度不确定度小，使得本实施方式的测温方法具有很低的不确定度，在633K这个较高的温度，本实施方式的测温方法响应时间短，最快可达30ms，适当延长响应时间能够降低测温不确定度，在响应时间1s时，即可获得6mK的不确定度。采用Eu³⁺:AVO₄/Cr³⁺:Al₂O₃混合感温涂层材料，可以将感温材料直接涂覆在待测物体表面，实现温度场分布的测量。在升温降温循环实验中表明，本实施方式的测温方法具有很好的重复性。且本实施方式，通过延长响应时间可以获得更低的测温不确定度，针对不同的测温需求，通过调节系统响应时间与测温不确定度可以获得最优化的测量方案。从而改变系统最佳的温度测量范围，提高了本实施方式测温系统应用的灵活性。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中Eu³⁺:AVO₄和Cr³⁺:Al₂O₃的制备方法均是高温固相法。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：步骤一中先分别将Eu³⁺:AVO₄与Cr³⁺:Al₂O₃研磨成粉体，然后混合压片，即得到感温材料。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：Eu³⁺:AVO₄为Eu³⁺:LaVO₄、Eu³⁺:GdVO₄、Eu³⁺:YVO₄或Eu³⁺:LuVO₄。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：步骤二中的温度标定曲线的标定方法为：将测温样品放入冷热台，以405nm激光器发出的近紫外光作为激发光源，在543至673K温度区间，每隔5-30k，对618nm和694nm的两个荧光带强度进行积分，然后对两个荧光带的积分强度进行比值，得到不同温度下两个荧光带的积分强度的比值，对比值进行拟合，即得到温度标定曲线。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：在543至673K温度区间，每隔20k，对618nm和694nm的两个荧光带强度进行积分。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：本实施例一种基于混合感温材料的荧光强度比测温方法，按以下步骤进行：

一、将Eu³⁺:GdVO₄与Cr³⁺:Al₂O₃混合，得到感温材料；

二、将感温材料放入冷热台，以405nm激光器发出的近紫外光作为激发光源，在543至673K温度区间内利用618nm和694nm的两个荧光带的积分强度比值进行温度定标，得到温度标定曲线；

三、将感温材料放置于待测环境，利用温度标定曲线进行待测温度的测量。

本实施例的Eu³⁺:GdVO₄由高温固相法制备，具体过程为：将Eu₂O₃、Gd₂O₃和NH₄VO₃,放入球磨机中研磨充分后，置于60℃干燥箱中2小时后取出，进行第一次烧结，在300℃下保温6小时后取出置于研钵中研磨。然后置于马弗炉中进行二次烧结，以1℃/min速率缓慢升温到1000℃并保温10小时，得到Eu³⁺:GdVO₄粉体；其中Eu³⁺掺杂浓度为2mol％。

本实施例的Cr³⁺:Al₂O₃由高温固相法制备，具体过程为：将Cr₂O₃和Al₂O₃粉体进行充分球磨，置于60℃干燥箱中2小时后取出，在马弗炉中烧结，烧结温度为1250℃，保温时间为10小时，得到Cr³⁺:Al₂O₃粉体；其中Cr³⁺掺杂浓度为2mol％。

将制备好的Eu³⁺:GdVO₄粉体与Cr³⁺:Al₂O₃粉体以质量比为1:1进行称量混合，再进行充分研磨后，得到Eu³⁺:GdVO₄/Cr³⁺:Al₂O₃混合粉体，将混合材料粉体压成片状，以方便后续光谱的测量，片状样品的厚度为1mm，直径为13mm，压制样片所需压力为8MPa。

结合图1说明本实施例，405nm激光发出的近紫外光经过凸透镜汇聚照射到混合感温涂层材料上，Eu³⁺:AVO₄/Cr³⁺:Al₂O₃所发射的荧光通过凸透镜汇聚入射到成像光谱仪中，光谱仪探测器前加一个600nm的截止滤光片，光谱仪连接计算机进行数据处理，给出待测量的温度值。

结合图2和图3说明一种基于Eu³⁺:GdVO₄与Cr³⁺:Al₂O₃混合材料的荧光强度比测温方法中，405nm激光发出的近紫外光作为激发光源，经过透镜汇聚到感温材料上，发光中心Eu³⁺离子和Cr³⁺离子被激发出荧光，荧光经过凸透镜汇聚耦合到成像光谱仪的光纤中。光谱仪所监测的荧光来源于Eu³⁺离子的⁵D₀到⁷F₂能级的辐射跃迁以及Cr³⁺离子的²E到⁴A₂能级的辐射跃迁，荧光峰位于618nm和694nm处，如图2所示，随着温度的升高，Eu³⁺:GdVO₄的荧光增强，而同时Cr³⁺:Al₂O₃的荧光减弱。因此Eu³⁺离子和Cr³⁺离子的荧光强度比FIR逐渐增大且与温度具有单调的函数关系，成像光谱仪连接到计算机，计算机对采集到的光谱进行分析处理，记录的FIR与温度T的曲线如图3所示，为单调递增函数。

在实际测温中，首先将感温材料置于恒温器上，对所测得的荧光强度比温度曲线进行温度校准，然后可将感温材料直接置于待测温度场中，监测发射出的荧光，采集荧光的成像光谱仪连接到计算机，计算机对采集到的光谱进行分析处理，计算并记录FIR的数值，根据校准后的荧光强度比温度曲线给出待测温度值。也可以将感温材料涂覆在固定要监测的温度场表面，通过光纤束或CCD同时采集整个温度场的荧光，给出温度场的温度分布情况。

结合图4、图5、图6和图7验证本实施例的效果：图4是利用本实施例测量出的Eu³⁺:GdVO₄/Cr³⁺:Al₂O₃感温材料的相对灵敏度温度曲线示意图。由于两个荧光谱带随温度变化规律相反，可以获得更大的荧光强度变化，获得了较高的相对灵敏度，在633K这个较高的温度下可达1.8％K^-1。图5是本实施例测温方法的测温响应时间曲线图，图6是本实施例测温方法的不确定度。利用本实施例测温方法对设定温度值为633K的加热炉进行了实际测量，截取约6min的测量结果可以见得T_FIR和炉温基本重合，说明荧光强度比所得到的温度快速的响应了炉子内温度场的变化，进而说明本系统的响应速度快。在激光光源泵浦下，5ms的时间内荧光强度即可达到饱和。通过实际测量，本系统30ms即可给出一个温度值，测温不确定度约为0.05K。在适当的延长响应时间情况下，本系统的测温不确定度可以继续降低，响应时间为0.5s时，测温不确定度可以小于0.01K。图7是利用本实施例测温方法测量的3个周期的升降温循环曲线，可以看出测温方法的重复性好。

Claims (4)

1.一种基于混合感温材料的荧光强度比测温方法，其特征在于该方法是按以下步骤进行：

一、分别将Eu³⁺:AVO₄与 Cr³⁺:Al₂O₃研磨成粉体，然后混合压片，得到感温材料；

二、将感温材料放入冷热台，以405 nm激光器发出的近紫外光作为激发光源，在543至673 K温度区间内，随着温度的升高，位于618 nm处的Eu³⁺离子辐射的荧光谱带逐渐增强，位于694nm处的Cr³⁺离子辐射的荧光谱带逐渐减弱，利用618 nm和694 nm的两个荧光带的积分强度比值进行温度定标，得到温度标定曲线；

三、将感温材料放置于待测环境，利用温度标定曲线进行待测温度的测量，即完成测温方法；其中 Eu³⁺:AVO₄为 Eu³⁺:LaVO₄、Eu³⁺:GdVO₄、Eu³⁺: YVO₄或 Eu³⁺: LuVO₄。

2.根据权利要求1所述的一种基于混合感温材料的荧光强度比测温方法，其特征在于步骤一中 Eu³⁺:AVO₄和 Cr³⁺:Al₂O₃的制备方法均是高温固相法。

3.根据权利要求1所述的一种基于混合感温材料的荧光强度比测温方法，其特征在于步骤二中的温度标定曲线的标定方法为：将测温样品放入冷热台，以405 nm激光器发出的近紫外光作为激发光源，在543至673 K温度区间，每隔5-30k，对618 nm和694 nm的两个荧光带强度进行积分，然后对两个荧光带的积分强度进行比值，得到不同温度下两个荧光带的积分强度的比值，对比值进行拟合，即得到温度标定曲线。

4.根据权利要求1所述的一种基于混合感温材料的荧光强度比测温方法，其特征在于在543至673 K温度区间，每隔20k，对618 nm和694 nm的两个荧光带强度进行积分。

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