CN111504497A - 一种基于荧光光纤的测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于荧光光纤的测温方法，解决现有获得荧光寿命方式准确性低的问题。该方法包括以下步骤：步骤1、脉冲激发光源发出脉冲信号，脉冲信号透过分光镜传递至聚光镜，通过聚光镜聚光和光纤耦合器耦合后，传递至光纤探头的荧光材料；步骤2、荧光材料受到脉冲信号的激发，发出相应的激发信号，该激发信号通过光纤耦合器耦合后传输至聚光镜；步骤3、步骤2中的激发信号通过聚光镜后被分光镜反射至光电二极管；步骤4、光电二极管将受激发信号换成需要采集的荧光电信号，从而获得荧光衰减后的电压数据；步骤5、将步骤4中采集到的数据通过最佳位置拟合算法，获得荧光寿命；步骤6：通过步骤5获得的荧光寿命标定温度。

Description

一种基于荧光光纤的测温方法

技术领域

本发明涉及温度测量方法，具体涉及一种基于荧光光纤的测温方法。

背景技术

荧光测温的基本原理是荧光物质在某一段温度范围内，它们的荧光寿命与温度表现出一定的相关性，因而可通过不同温度下的荧光寿命来测量温度。根据原子跃迁原理，当光照射在荧光物质上时，其内部的电子获得能量从而由基态到激发态，从激发态返回基态放出的辐射能使荧光物质发出荧光，在激发光被移除后，荧光持续发射时间取决于基发态的寿命，最后的衰减曲线类似与指数衰减方式，衰减的时间常数即荧光寿命是温度的单值函数，通过对激发后产生的荧光的寿命进行检测，从而计算出相应的温度。

在硬件处理平台上需要处理多个不同的任务时，计算荧光寿命的快速性和准确性是非常重要的，因为荧光寿命与其要检测的物理参数至关重要。在实际环境中，通过荧光光纤测试真实环境中的温度时，荧光衰减曲线并不一定能够完全的吻合理想化的指数衰减等式，这是因为荧光衰减曲线中可能包含有噪声等其它干扰，使得荧光信号不能很好的用于计算荧光寿命，从而影响荧光寿命的准确性。

发明内容

本发明的目的是解决现有获得荧光寿命方式准确性低的问题，提供一种基于荧光光纤的测温方法。本发明方法通过硬件系统采集荧光数据信息，然后通过根据最佳位置拟合方法计算出荧光寿命进行应用，通过建立荧光寿命与温度的列表为后续的测温建立依据，等到真实环境中再计算出荧光寿命就可以通过查表来计算出温度。

本发明的技术方案是：

一种基于荧光光纤的测温方法，包括以下步骤：

步骤1、脉冲激发光源发出脉冲信号，脉冲信号透过分光镜传递至聚光镜，通过聚光镜聚光和光纤耦合器耦合后，传递至光纤探头的荧光材料；

步骤2、荧光材料受到脉冲信号的激发，发出相应的激发信号，该激发信号通过光纤耦合器耦合后传输至聚光镜；

步骤3、步骤2中的激发信号在通过聚光镜后被分光镜反射至光电二极管；

步骤4、光电二极管将受激发信号换成需要采集的荧光电信号，从而获得荧光衰减后的电压数据；

步骤5、将步骤4中采集到的数据通过最佳位置拟合算法处理，从而获得荧光寿命；

具体为：根据荧光衰减后的电压数据与荧光强度的已知关系，从而得到荧光强度I与荧光寿命τ添加误差干扰α后的测量衰减公式：

对公式(3)取对数可得：

lnI₀-ln(I-α)＝t/τ(4)

对公式(4)进行拟合，得到荧光寿命τ；

步骤6：通过步骤5获得的荧光寿命得到温度。

进一步地，步骤6中的荧光寿命在标准荧光寿命表中有相应值，则该标准荧光寿命表中对应的温度值为实际测得的温度。

进一步地，步骤6中的荧光寿命在标准荧光寿命表中的相邻两个标准荧光寿命之间，则使用线性内插法得出相应的温度值。

进一步地，步骤6中的荧光寿命在标准荧光寿命表的参数之外，则采用线性外推值法得出相应的温度值。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明通过最佳位置拟合算法，可以对实时采集的荧光光纤衰减数据信息进行实时处理，在一定程度上消除误差的干扰，加快了荧光测温系统的数据更新速率，也提高了测量温度的准确率，提升了整体系统的测温准确率。

2.本发明方法为一种高精度，实时性好的荧光寿命计算方法，在同等情况下可以对硬件中的实时采集的荧光光纤衰减数据信息进行实时处理，加快了荧光测温系统的数据更新速率，也提高了测量温度的准确率，提升了整体系统的测温表现。

3.本发明可以通过c语言直接进行编写应用，减少调用函数带来的时间复杂度的增加。

附图说明

图1为本发明基于荧光光纤的测温方法的系统原理图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

本发明方法基于荧光余辉原理、荧光传感器系统检测原理，提供一种通过最佳位置拟合方法来计算荧光寿命，从而使整个测温系统测量更加准确。

本发明方法基于以下硬件系统实现，硬件系统包括荧光光纤探头、脉冲激发光源、激发脉冲光源的驱动模块、用于反射脉冲激发信号及分离荧光信号与脉冲激发信号的分光镜、用于荧光光纤探头与聚光镜之间光传感的光纤耦合器、带模数转换器的微处理器用于将光电管及跨阻抗放大器转换得到荧光信号的信息等部分；转换得到的荧光信号的信息通过线性拟合计算荧光光纤测温的方法，计算出荧光指数时间衰减常数，并通过查询标定的荧光指数衰减常数与温度值的对应表通过插值法寻找标定的荧光寿命值，从而得到实际待测的环境温度。

一种基于荧光光纤的测温方法，它包含如下的步骤：

步骤1、驱动单元控制脉冲激发光源发出一定规则的脉冲信号，脉冲信号经过分光镜透射传递到聚光镜，并通过聚光镜聚光和光纤耦合器耦合传递到光纤探头的荧光材料；

步骤2、荧光材料受到脉冲激发信号的激发，发出相应的激发信号，该激发信号通过光纤耦合器耦合后传输至聚光镜；

步骤3、步骤2中的激发信号通过聚光镜后被分光镜反射至光电二极管；

步骤4、光电二极管将受激发信号换成需要采集的荧光电信号，从而获得荧光衰减后的电压数据；也就是说，所采集的荧光电信号通过硬件中的处理器进行采样，获得荧光电信号的数据，即荧光衰减后的采集的与荧光寿命相关的电压数据；

采用连续的采样脉冲，可以持续获得荧光衰减在各个时段上的电压数据；

步骤5、将步骤4中采集到的数据是实时进行处理，处理过程中按照每组完整的波形进行处理，将每组波形数据在带有模数转换器中进行最佳位置拟合算法的计算来求解荧光寿命；

具体为：根据荧光衰减后的电压数据与荧光强度的已知关系，从而得到荧光强度I与荧光寿命τ添加误差干扰α后的测量衰减公式：

对公式(3)取对数可得：

lnI₀-ln(I-α)＝t/τ(4)

对公式(4)进行拟合，得到荧光寿命τ；

a是扰动数据，根据荧光寿命误差最小的原则，选取波形中不同位置的数据量进行数据拟合处理，通过大量的实验验证在波形的某一段数据a误差相对其它位置较小，因此，采用该数值代替ln(I-α)值计算的荧光寿命误差，因此可以用此段数据量来代替ln(I-α)的值，其为已知数据；

步骤6：通过步骤5中计算出的荧光寿命用来标定温度，具体为根据计算出的荧光寿命来反查标定温度的荧光寿命表，当荧光寿命在上述表中有相同的标准荧光寿命与之对应，则该标准荧光寿命在表中对应的温度值就可以反映实际测得的温度，当计算出来的荧光寿命处于表中的中间位置时，则通过线性插值法来计算与之对应的荧光寿命，则实际环境中的温度也为线性插值后的温度。

本发明方法是一种提高线性拟合计算荧光光纤测温的方法，该方法将硬件采集系统转换得到的荧光信号通过线性拟合计算荧光光纤寿命，计算出荧光指数时间衰减常数，并通过查询标定的荧光指数衰减常数与温度值的对应表，得到实际待测的环境温度。硬件中的荧光光纤探头顶端涂抹相对应的荧光材料，在特定波长的激发光激发后，产生相应的衰减信息。激发光源来源于相应的LED灯光源。

最佳位置拟合法求解荧光寿命的方法，是通过I＝I₀exp(-t/τ)分别两边取对数lnI_0-lnI＝t/τ然后求解出荧光寿命，通过之前的数据计算和规律的发现，取波形中变换后最符合线性的部分进行拟合求解，然后根据拟合出荧光寿命的倒数，进行相关变换得到其荧光寿命值。荧光寿命有称荧光指数时间衰减常数，可以用τ来表示，这是根据其荧光衰减原理可以得到其衰减等式得到：

I＝I₀exp(-t/τ) (1)

对上述公式两边取对数，并进行处理的：

lnI₀-lnI＝t/τ (2)

其中，Io表示在在激发光照下，荧光信号数据信息的峰值；exp表示自然对数e；I表示随时间变化荧光寿命衰减的光强；τ表示荧光寿命即荧光指数时间衰减常数，t表示时间。由公式(2)通过测量不同时刻t所对应的I(t)值，可以做出ln-t的关系曲线，其结果类似一条直线。经实验发现计算的τ测量温度时误差较大，通过分析是因为在实际测量中有一定干扰没有考虑。

接下来由(1)理论公式，添加误差干扰α的真实测量衰减公式为：

对公式(3)取对数可得：

lnI₀-ln(I-α)＝t/τ (4)

由公式(4)可得真实数据的曲线，是一条ln-t关系的近似直线，通过大量数据验证发现此类直线中间最接近直线的部分，可以用这条直线进行拟合在一定程度可以将ln(I-α)中的α的干扰降到最低，然后求解出τ。

可见最佳位置拟合法可以有效地减少系统噪声信号的干扰，最佳位置拟合法实际是用全部数据的部分数据进行求解荧光寿命，荧光余辉时间一般在25ms左右(荧光材料不同存在差异)，硬件的采样时间为20us左右，一个荧光余辉时间内能够采样并计算1200个点左右，由公式(3)求得τ，再对τ进行均值滤波处理，用该值标定出温度用此来测量实际温度发现误差较小。

本发明方法通过利用快速自然对数进行处理，从而得到荧光寿命衰减的相关值，通过线性拟合处理从而得到实际待测的环境温度，本发在实验中发现测量的温度与实际温度相近，在一定程度上能够有效地，精确地测量温度。

Claims (4)

1.一种基于荧光光纤的测温方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、脉冲激发光源发出脉冲信号，脉冲信号透过分光镜传递至聚光镜，通过聚光镜聚光和光纤耦合器耦合后，传递至光纤探头的荧光材料；

步骤2、荧光材料受到脉冲信号的激发，发出相应的激发信号，该激发信号通过光纤耦合器耦合后传输至聚光镜；

步骤3、步骤2中的激发信号在通过聚光镜后被分光镜反射至光电二极管；

步骤4、光电二极管将受激发信号换成需要采集的荧光电信号，从而获得荧光衰减后的电压数据；

步骤5、将步骤4中采集到的数据通过最佳位置拟合算法处理，从而获得荧光寿命；

具体为：根据荧光衰减后的电压数据与荧光强度的已知关系，从而得到荧光强度I与荧光寿命τ添加误差干扰α后的测量衰减公式：

对公式(3)取对数可得：

lnI₀-ln(I-α)＝t/τ(4)

对公式(4)进行拟合，得到荧光寿命τ；

步骤6：通过步骤5获得的荧光寿命得到温度。

2.根据权利要求1所述的基于荧光光纤的测温方法，其特征在于：步骤6中的荧光寿命在标准荧光寿命表中有相应值，则该标准荧光寿命表中对应的温度值为实际测得的温度。

3.根据权利要求1所述的基于荧光光纤的测温方法，其特征在于：步骤6中的荧光寿命在标准荧光寿命表中的相邻两个标准荧光寿命之间，则使用线性内插法得出相应的温度值。

4.根据权利要求1所述的基于荧光光纤的测温方法，其特征在于：步骤6中的荧光寿命在标准荧光寿命表的参数之外，则采用线性外推值法得出相应的温度值。

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