一種上轉換熒光強度比測溫技術的修正方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種上轉換熒光強度比測溫技術的修正方法。
【背景技術】
[0002]為了滿足科學研究以及工業(yè)技術中某些特殊環(huán)境對溫度測量的需要，熒光溫度傳感技術這種基于熒光材料光譜性質的溫度依賴關系的非接觸溫度傳感方法引起了人們的廣泛關注，具有重要的實用價值。
[0003]熒光強度比測溫技術(FIR)是熒光溫度傳感技術中應用最為重要的一種，其原理是利用稀土離子的兩個相鄰的具有熱耦合關系的激發(fā)態(tài)能級向某一低能級躍迀時發(fā)射的熒光強度的比值來測溫，這種利用比值的測溫方法具有抗干擾、噪聲小、成本低的優(yōu)點。FIR技術中，兩個熒光強度的大小與能級上熱布局的粒子數成正比，而熱布局的粒子數滿足玻爾茲曼分布，因此熒光強度的比值滿足公式FIR = AeXp(-△E/kT)。式中，FIR表示熒光強度比值、ΔΕ為兩個熱偶和能級之差、k為玻爾茲曼常數、T為溫度。由此公式可以得出，FIR技術的測溫靈敏度為S= ΔΕ/kT2。
[0004]目前，熒光強度比測溫技術仍然存在一些問題使得這種技術在實際應用中比較困難。為了獲得更高的測溫靈敏度，通常需要選擇能級差A E大的材料，而ΔΕ增大時，熱耦合能級對的上能級輻射的熒光強度很弱，熒光信號的信噪比很低，因此會引起較大的測溫誤差，此外，當AE減小時，FIR公式又不完全滿足玻爾茲曼分布，此時公式中需要加入修正項，變?yōu)镕IR = Aexp(-ΔΕ/kT)+B，修正項B的引入會導致測溫結果不準確。因此對FIR進行修正以消除修正項能夠使得FIR技術在保持較高的測溫靈敏度的同時其測溫準確性也得到保證。
【發(fā)明內容】
[0005]本發(fā)明是要解決現有測溫技術測溫結果不準確的問題，提供一種上轉換熒光強度比測溫技術的修正方法。
[0006]本發(fā)明一種上轉換熒光強度比測溫技術的修正方法，是按以下步驟進行的:一、980nm 二極管激光發(fā)出的脈沖激發(fā)光經過凸透鏡匯聚照射到稀土離子摻雜的感溫材料上，稀土離子摻雜的感溫材料所發(fā)射的上轉換熒光通過另一凸透鏡匯聚入射到計算機控制的光柵光譜儀中，其中計算機控制的光柵光譜儀采集的熒光光譜具有兩個熒光發(fā)射峰，分別為稀土離子兩個相鄰且存在熱耦合關系的能級到下能級輻射躍迀所產生的熒光發(fā)射峰，上能級A發(fā)射的熒光波長短于下能級B發(fā)射的波長；二、將計算機控制的光柵光譜儀連接存儲示波器，存儲示波器進行不同溫度下熒光衰變曲線的測量，得到不同溫度下的下能級B熒光衰變曲線和上能級A熒光衰變曲線；計算機進行數據處理，給出修正系數，修正后的熒光強度比為FIRC= FIR.(^/(Ca+Ci)，得到修正曲線；所述的上能級A為稀土離子兩個相鄰且存在熱耦合關系的能級中的上能級；下能級B為稀土離子兩個相鄰且存在熱耦合關系的能級中的下能級。
[0007]本發(fā)明中980nm 二極管激光發(fā)出的脈沖激發(fā)光經過凸透鏡匯聚照射到感溫材料上，感溫材料所發(fā)射的上轉換熒光通過凸透鏡匯聚入射到光譜儀中，由光譜儀對所探測到的熒光進行光譜分析。分別測量來源于熱耦合能級輻射躍迀的兩個熒光峰的衰變曲線。由于下能級上轉換熒光來源于鐿離子的敏化作用，其歸一化的熒光衰變曲線呈雙e指數規(guī)律衰減山=CQ1exp(_t/τ J+Q^expC-t/τ 2)，τ jP τ 2為擬合的壽命，C Q1、CQ2為擬合權重系數。由于兩個能級存在熱耦合關系，上能級輻射強度12隨時間t的衰變規(guī)律呈三e指數衰減:I2(t) = C0exp(_t/ τ。)+Q [CMexp (_t/ τ 3)+C02exp (_t/ τ4)]，短壽命 τ。為能級本征壽命，另外兩個壽命與下能級熒光輻射壽命一致，C。、^為擬合權重系數。固定τ 3= τ ρ τ4=τ 2，利用CM、C02, τ 3、τ 4對上能級上轉換熒光的衰變曲線進行三e指數擬合，獲得擬合參量C。和C 10 FIR的修正系數為，修正后的熒光強度比表示為FIRe= FIR.C。/(Co+Ci)。此修正后上轉換熒光的熒光強度比隨溫度的變化規(guī)律與玻爾茲曼分布律沒有偏差。
[0008]本發(fā)明的修正方法消除了熒光強度比與玻爾茲曼分布律的偏差，在保持了熒光強度比方法抗干擾能力強、穩(wěn)定性好、靈敏度高的優(yōu)點的同時，提高了其測溫的準確度。
【附圖說明】
[0009]圖1為實施例1的流程示意圖；其中1為405nm發(fā)光二極管、2為透鏡、3為鐿和鎊摻雜的感溫材料、4為另一透鏡、5為光柵光譜儀、6為計算機；
[0010]圖2為980nm激光激發(fā)下稀土銩的上轉換熒光光譜；
[0011]圖3為修正前的FIR與波爾茲曼分布率偏差的示意圖，“〇”為修正前的FIR，a為波爾茲曼分布曲線；
[0012]圖4為修正參數隨溫度的變化規(guī)律圖，b為擬合曲線；
[0013]圖5為修正后的FIR與波爾茲曼分布率無偏差的示意圖，“〇”為修正前的FIR，a為波爾茲曼分布曲線。
【具體實施方式】
[0014]【具體實施方式】一:本實施方式一種上轉換熒光強度比測溫技術的修正方法，是按以下步驟進行的:一、980nm 二極管激光發(fā)出的脈沖激發(fā)光經過凸透鏡匯聚照射到稀土離子摻雜的感溫材料上，稀土離子摻雜的感溫材料所發(fā)射的上轉換熒光通過另一凸透鏡匯聚入射到計算機控制的光柵光譜儀中，其中計算機控制的光柵光譜儀采集的熒光光譜具有兩個熒光發(fā)射峰，分別為稀土離子兩個相鄰且存在熱耦合關系的能級到下能級輻射躍迀所產生的熒光發(fā)射峰，上能級A發(fā)射的熒光波長短于下能級B發(fā)射的波長；二、將計算機控制的光柵光譜儀連接存儲示波器，存儲示波器進行不同溫度下熒光衰變曲線的測量，得到不同溫度下的下能級B熒光衰變曲線和上能級A熒光衰變曲線；計算機進行數據處理，給出修正系數，修正后的熒光強度比為FIRC= FIR.(:?/((；+(；)，得到修正曲線；所述的上能級A為稀土離子兩個相鄰且存在熱耦合關系的能級中的上能級；下能級B為稀土離子兩個相鄰且存在熱耦合關系的能級中的下能級。
[0015]本實施方式中980nm 二極管激光發(fā)出的脈沖激發(fā)光經過凸透鏡匯聚照射到感溫材料上，感溫材料所發(fā)射的上轉換熒光通過凸透鏡匯聚入射到光譜儀中，由光譜儀對所探測到的熒光進行光譜分析。分別測量來源于熱耦合能級輻射躍迀的兩個熒光峰的衰變曲線。由于下能級上轉換熒光來源于鐿離子的敏化作用，其歸一化的熒光衰變曲線呈雙e指數規(guī)律衰減山=C 01exp (-t/ τ J +C02exp (_t/ τ 2)，τ τ 2為擬合的壽命，C 01、C02為擬合權重系數。由于兩個能級存在熱耦合關系，上能級輻射強度12隨時間t的衰變規(guī)律呈三e指數衰減:12(t) = C0exp(_t/ τ。)+C! [C01exp (_t/ τ 3)+C02exp (_t/ τ4)]，短壽命 τ 0為能級本征壽命，另外兩個壽命與下能級熒光輻射壽命一致，C。、Q為擬合權重系數。固定τ 3 =τ4= τ 2，利用CM、Cff1、τ 3、τ 4對上能級上轉換熒光的衰變曲線進行三e指數擬合，獲得擬合參量C。和C 1<3 FIR的修正系數為C。/ (C0+Q，修正后的熒光強度比表示為FIRC =FIR.C0/ (C0+Q。此修正后上轉換熒光的熒光強度比隨溫度的變化規(guī)律與玻爾茲曼分布律沒有偏差。
[0016]本實施方式的修正方法消除了熒光強度比與玻爾茲曼分布律的偏差，在保持了熒光強度比方法抗干擾能力強、穩(wěn)定性好、靈敏度高的優(yōu)