CN110220635A - 荧光式流体压强测量方法 - Google Patents

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张巍巍
程浩
王嘉豪
万璐
张志敏
龚勇清
史久林
何兴道
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L11/00—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00
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Abstract

本发明涉及一种荧光式流体压强测量方法，主要阐明利用具有荧光性的膜片测量流体压强的一种方法。该方法采用一个具有荧光色的弹性材料薄片作为容器内流体压强的检测窗，薄片的荧光特征参量随流体压强单调规律性变化，测得薄片的荧光特征即可对应得到容器内的流体压强。本方法具有安装方便、无线传输信号、免疫电磁干扰、可以测量稳态或动态压力、安全可靠、成本低廉等优点。

Description

荧光式流体压强测量方法
技术领域
本发明涉及流体压强的光学测量领域，具体涉及一种荧光式流体压强测量方法。
背景技术
典型的压强、应力光学测量方法主要采用光纤传感，其中光纤光栅技术比较成熟。但是光纤光栅的成本较高，在狭小空间里安装不便，最大的问题是，光纤光栅的解调速度难以满足高频交变应力的测量需求，一般最高也只能测量千赫以下的中低频交变应力。而流体可能处于从静态到高速流动的各种状态，相应地流体压强可能是定值、高速交变值或是定值叠加交变信号。复杂流体环境中的压强监测需要一种安装方便、工作频带宽、适应复杂结构和环境的技术方法。
本发明利用材料荧光特性受环境影响的物理机制，具体包括微应变改变发光材料的微区晶体场、微应变改变发光分子的空间构型等机理，将荧光特性附加到流体容器的弹性检测窗上，使流体压强最终表现为相应的荧光特征数值。这种用敏感材料的荧光特征传感压强的技术具有安装方便、无线传输信号、免疫电磁干扰、可以测量稳态或动态压力、安全可靠、成本低廉等优点，尤其适合用于微区、电离辐射、危险化学品储运等场合。
发明内容
本发明目的在于提供一种荧光式流体压强测量方法，该测量方法利用应力敏感的荧光材料，将荧光特征参量用作压强传感信号，具有安装方便、无线传输信号、免疫电磁干扰、可以测量稳态或动态压力、安全可靠、成本低廉等优点，适合用于微区、电离辐射、危险化学品储运等场合。
本发明技术方案如下：荧光式流体压强测量方法，它包括：
步骤一、根据具体应用的场所选择合适的应变材料，将荧光材料涂覆在应变材料外表层，将该叠层复合结构制作为流体容器的检测窗，如果应变材料本身具有荧光性，则无需涂覆其它荧光材料，将该应变材料制作为流体容器的检测窗；
步骤二、根据所选荧光材料的发光特性，选用合适的激发光激发出所述检测窗的荧光；
步骤三、测量和记录已知压强条件下荧光材料的荧光光谱，标定所述检测窗的压强传感曲线；具体步骤如下；
步骤3-1. 在稳定温度条件下渐次设置改变流体压强，检测窗随之变形；
步骤3-2. 测量并记录步骤3-1所述各个压强下荧光材料的荧光光谱；
步骤3-3. 计算荧光光谱的相应于不同压强的光谱特征数据值；
步骤3-4. 拟合得到荧光材料的荧光特征与压强关系的关系函数；
步骤四、将所述检测窗置于未知压强条件下，用步骤二所用的激发光激发荧光材料，测量它的荧光光谱特征值，代入由步骤3-4所得到的关系函数，得到待测压强值。
所述荧光光谱特征包括强度比、积分强度比、谱峰位置、谱带重心、半高全宽、荧光寿命。
所述荧光材料包括稀土离子发光材料、过渡金属发光材料、半导体复合发光材料、有机发光材料、团簇发光材料，以及含有所述荧光材料组份的复合材料。
所述应变材料包括金属材料、陶瓷材料、有机高分子材料、硅材料、碳材料，以及含有所述应变材料的复合材料。
所述光谱特征数据的提取也可以不经过光谱测量过程，例如荧光强度、强度比、荧光寿命可以直接测量。
所述流体压强传感方法，还可使用荧光激发光谱、吸收光谱、透射光谱、散射光谱的光谱特征参量。
本发明的物理基础是固体发光受环境影响的机制，具体包括微应变改变无机发光材料的微区晶体场、微应变改变发光分子的空间构型等机理。
本发明的有益效果：本发明主要阐明利用具有荧光性的膜片测量流体压强的一种方法。该方法采用一个具有荧光色的弹性材料薄片作为容器内流体压强的检测窗，薄片的荧光特征参量随流体压强单调规律性变化，测得薄片的荧光特征即可对应得到容器内的流体压强。本发明通过检测应力敏感的荧光材料在流体压强作用下光谱特征的变化实现流体压强的无线传感，具有安装方便、无线传输信号、免疫电磁干扰、可以测量稳态或动态压力、安全可靠、成本低廉等优点，适合用于微区、电离辐射、危险化学品储运等场合。
附图说明
图1为本发明典型的流体压强影响的检测窗的荧光光谱。
图2为本发明由图1对应得到的传感函数曲线。
具体实施方式
本发明技术内容部分描述了一种利用荧光光谱的光谱特征参量测量流体压强的方法。它包括基于合适的应变材料、荧光材料作为弹性检测窗，选定激发条件，在已知压强下测量荧光材料的荧光光谱，提取光谱特征数据，得到该特征随压强变化而变化的规律作为压强传感方程，将未知压强下测得的光谱特征值代入所述传感方程，得知被测压强；所述的荧光材料及应变材料是叠层复合结构，也可以是兼具荧光和弹性的同一材料。该方法使用的测试系统可以基于常见的光栅光谱仪实现，也可以基于具有相应功能的光路、电路实现。以容器中气体压强的测量为例，具体描述如下：
气体容器上开有检测孔。检测孔上连接一段单端封口的橡胶管，橡胶管外表面涂有荧光染料。以橡胶管作为检测窗，即荧光检测对象。环境压强为一个大气压,环境温度为室温（300K）。
用工作于可见光波段、分辨率0.5nm的光谱仪测量橡胶管的荧光发射光谱，紫外至蓝光波段都可以激发出被检对象的荧光发射，在激发光波段内任意取用405nm作为激发光波长。
从0到0.06MPa范围内渐次设置改变气体容器中的气体压强，测量和记录已知气压下橡胶管的荧光发射光谱如图1所示。
从荧光谱上提取光谱特征参量，以谱带重心参量（参见专利：一种宽带荧光光谱测温方法；中国，专利公开号：CN105092088A）为例，计算得到图1的右侧荧光峰的谱带重心位置随气压变化的移动，如图2所示数据点系列。
拟合图2所示数据点，得到的关系函数即为标定的气压传感方程。
气体容器中的压强未知时，用同一波长（405nm）的激发光激发出上述涂覆了荧光染料的橡胶管的荧光，测量它的荧光光谱并计算出同一右侧荧光峰的谱带重心数值，代入上述得到的气压传感方程，即得到待测气压值。
本例还可以这样实现：采用具有自体荧光的薄橡胶片贴合在气体容器的检测孔上作为检测窗，亦即应变材料和荧光材料均为橡胶。压强传感方程的标定过程与应用方式上例相同。
通过改变检测窗的形状、厚度及其它几何尺寸可以调整压强传感的灵敏度和测量范围。

Claims (8)

1.荧光式流体压强测量方法，它包括：
步骤一、根据具体应用的场所选择合适的应变材料，将荧光材料涂覆在应变材料外表层，将该叠层复合结构制作为流体容器的检测窗；
步骤二、根据所选荧光材料的发光特性，选用合适的激发光激发出所述检测窗的荧光；
步骤三、测量和记录已知压强条件下荧光材料的荧光光谱，标定所述检测窗的压强传感曲线；
步骤四、将所述检测窗置于未知压强条件下，用步骤二所用的激发光激发荧光材料，测量它的荧光光谱特征值，代入由步骤3-4所得到的关系函数，得到待测压强值。
2.根据权利要求1所述的荧光式流体压强测量方法，其特征在于：其中步骤三的具体步骤如下：
步骤3-1. 在稳定温度条件下渐次设置改变流体压强，检测窗随之变形；
步骤3-2. 测量并记录步骤3-1所述各个压强下荧光材料的荧光光谱；
步骤3-3. 计算荧光光谱的相应于不同压强的光谱特征数据值；
步骤3-4. 拟合得到荧光材料的荧光特征与压强关系的关系函数。
3.根据权利要求1所述的荧光式流体压强测量方法，其特征在于：其中步骤一当应变材料本身具有荧光性时，无需涂覆其它荧光材料，将该应变材料制作为流体容器的检测窗。
4.根据权利要求1所述的荧光式流体压强测量方法，其特征在于：其中荧光光谱特征包括强度比、积分强度比、谱峰位置、谱带重心、半高全宽、荧光寿命。
5.根据权利要求1所述的荧光式流体压强测量方法，其特征在于：其中荧光材料包括稀土离子发光材料、过渡金属发光材料、半导体复合发光材料、有机发光材料、团簇发光材料，以及含有所述荧光材料组份的复合材料。
6.根据权利要求1所述的荧光式流体压强测量方法，其特征在于：其中应变材料包括金属材料、陶瓷材料、有机高分子材料、硅材料、碳材料，以及含有所述应变材料的复合材料。
7.根据权利要求1所述的荧光式流体压强测量方法，其特征在于：其中光谱特征数据的提取或不经过光谱测量过程。
8.根据权利要求1所述的荧光式流体压强测量方法，其特征在于：其中步骤三中所述的荧光光谱还可以替换为激发光谱、吸收光谱、透射光谱、散射光谱。
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