CN110207843B - 一种变色显示检测温度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变色显示检测温度的方法，主要阐明利用荧光颜色的混合及液体热胀冷缩的物理机制，既可通过荧光的颜色直接肉眼粗略判断温度大小，又可通过荧光特征量与温度的关系高精度地测量温度。方法步骤为：步骤一、选取多种具有不同荧光色的液体注入到相应容器；步骤二、激发出容器上各液柱的荧光；步骤三、汇聚液柱的荧光，肉眼观察或通过分析混合荧光的特征反演出对应的温度值。本发明的技术效果是：免疫电磁干扰，可无线检测，实时监测，稳定可靠，成本低廉，灵敏度易于调节，有热致变色的视觉效果。

Description

一种变色显示检测温度的方法
技术领域
本发明涉及温度的光学测量方法，具体涉及一种变色显示检测温度的方法。
背景技术
荧光式温度传感技术具有光测技术的典型优点，包括免疫电磁干扰、可以无线测量、安全可靠等。荧光式测温的敏感材料一般是附着在被测物体表面或波导光纤端面的固态荧光材料涂层。常见的荧光测温技术一种是基于荧光强度的温度猝灭机制，表现为荧光寿命随温度升高而缩短；一种是基于热平衡态下粒子数的玻尔兹曼分布，表现为谱线强度比R与热力学温度T之间的关系吻合lnR＝A+B/T的理论表达式。
本发明提出一种新型荧光式测温方法，将膨胀式测温转换为荧光式测温。本发明因为混合荧光的颜色也随温度变化，还具有热致变色的视觉效果。
发明内容
本发明目的在于：提出一种变色显示检测温度的方法，兼具有光测技术和膨胀式测温技术的典型优点。
本发明的技术方案如下：一种变色显示检测温度的方法，其特征在于：基于荧光颜色的混合及液体热胀冷缩的物理机制，观测随温度升高而不同程度地上升的多个荧光液柱的混合荧光，通过荧光特征量与温度之间的传感方程实现温度传感；具体方法步骤为：
步骤一、选取多种具有不同荧光色的液体注入到各自的容器，热膨胀的液体进入透明管中形成液柱；
步骤二、激发出容器上各液柱的荧光；
步骤三、汇聚各液柱的荧光，记录混合荧光光谱的特征参量及相应的环境温度，拟合所述荧光特征量与环境温度的数值关系，得到标定的传感方程，或肉眼直接观察不同温度下混合荧光的颜色；
步骤四、将未知温度下的混合荧光的特征参量代入传感方程反演出对应的温度值，或根据肉眼观察的混合荧光颜色大概判断环境温度。
进一步的，所述荧光液柱的材料是热膨胀系数不同的液态荧光材料。
进一步的，其中多个荧光液柱各自的荧光分布在可见光范围的不同波段。
进一步的，所述荧光特征量是色坐标、谱带中心、强度比。
本发明的有益效果：主要阐明利用荧光颜色的混合及液体热胀冷缩的物理机制，既可通过荧光的颜色直接肉眼粗略判断温度大小，又可通过荧光特征量与温度的关系高精度地测量温度；免疫电磁干扰，可无线检测，实时监测，稳定可靠，成本低廉，灵敏度易于调节，有热致变色的视觉效果的优点。
附图说明
图1为本发明的传感系统结构示意图(仅使用A、B两种液体作为示例)；
图中，1、光源；2、激光；3、液柱；4、荧光；5、会聚光路；6、信号处理显示；7、容器；8、毛细管；
图2为本发明的荧光式温度传感系统的示例光谱。图中A、B指示分属于传感系统中A、B液柱的荧光；
图3为本发明的荧光式温度传感方程的标定结果示例，记录了荧光强度比、色坐标随温度的变化。
具体实施方式
本发明技术内容部分描述了一种变色显示检测温度的方法。将多种具有荧光性的液体封存在不同透明管下方连接的各密闭容器7中；液体热膨胀在管中形成多个液柱3，液体热膨胀系数不同，随温度升高液柱3的高度不同；激发出各液柱的荧光，各液柱的荧光分布在可见光范围的不同波段；会聚观测所有荧光的混合荧光4，混合荧光4中各液柱的荧光混合比例相应地随温度规律性变化；通过某荧光特征量与温度之间的传感方程实现温度传感，可用的荧光特征量包括色坐标、谱带中心、强度比等，该传感方程的标定步骤为：已知在一定范围内渐次改变的环境温度，测量不同温度环境中混合荧光的荧光特征量，拟合荧光特征量随温度变化的实验数据，最优拟合式即所述的传感方程。
本发明的实质是用荧光现象表征热膨胀规律。
本发明以不同荧光色的水基和酒精基两种温度敏感液体材料为例，测试系统如图1所示。主要由光源1、激光2、液柱3、荧光4、会聚光路5、信号处理显示6、容器7和毛细管8组成；容器7有二个，其内充满液体，容器7上连接有毛细管8，热膨胀的液体进入毛细管8形成填充的液柱3，其中毛细管一侧设有光源1，一字线状激发光光源1发出的激光2均匀照射毛细管8，会聚观测所有荧光的混合荧光4，荧光4通过会聚光路5会聚，在通过信号处理显示6。具体实施方式如下：
分别向容器7A和容器7B注满水基荧光液体材料A和酒精基液体荧光材料B。容器7A和容器7B上均连接有光学透明的毛细管8A和毛细管8B，通过换用不同孔径的毛细管可控制毛细管中液柱的膨胀高度。
在一定温度范围内控制改变液体所处的环境温度，容器中液体膨胀，在毛细管8A和毛细管8B中分别形成液柱3A和液柱3B。
在已知温度环境下激发出液柱3A和液柱3B的荧光，激发光使用外置的线光源，也可以用波导耦合的方式将激发光从光波导侧面耦合到液柱中。
将液柱3A和液柱3B的荧光4通过会聚光路5会聚。会聚的荧光中混合了如图2所示的荧光4A和荧光4B两种成分。
在监视屏上以肉眼直接观察会聚的荧光，或者测量记录会聚的荧光的特征参量，例如荧光A和荧光B的强度比，又例如该混合荧光的色坐标参量，如图3所示。
拟合混合荧光的特征参量与温度的数学关系，即得到该示例温度检测系统的温度传感方程。因色坐标随温度变化，表明可视颜色也随温度变化，具有肉眼可观察的热致变色效果。
将液体容器7置于未知温度的环境中，按照同上方式测量混合荧光的特征参量，代入上述的温度传感方程，即得到待测温度值。
因为携带温度信息的是荧光信号，它可以在自由空间中传输，因此构成一种无线的光学测温方法。
可以用于所述温度传感方式的荧光材料包括单质液态发光材料以及混合了荧光材料的液体。
其它可以应用所述技术方案的光谱类型还包括但不限于荧光激发光谱、吸收光谱、透射光谱等。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种变色显示检测温度的方法，其特征在于：基于荧光颜色的混合及液体热胀冷缩的物理机制，观测随温度升高而不同程度地上升的多个荧光液柱的混合荧光，通过荧光特征量与温度之间的传感方程实现温度传感；具体方法步骤为：
步骤一、选取多种具有不同荧光色的液体注入到各自的容器，所述液体的热膨胀系数不同，热膨胀的液体进入透明管中形成液柱；
步骤二、激发出容器上各液柱的荧光，各液柱的荧光分布在可见光范围的不同波段；
步骤三、汇聚各液柱的荧光，记录混合荧光光谱的特征量及相应的环境温度，所述荧光特征量是色坐标、谱带中心、强度比，拟合所述荧光特征量与环境温度的数值关系，得到标定的传感方程，或肉眼直接观察不同温度下混合荧光的颜色；
步骤四、将未知温度下的混合荧光的特征参量代入传感方程反演出对应的温度值，或根据肉眼观察的混合荧光颜色大概判断环境温度。
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