本發(fā)明涉及光纖測溫領域，尤其涉及一種基于稀土離子上轉換熒光的光纖測溫裝置及其測溫方法。

背景技術：

由于一些測溫現(xiàn)場具有較惡劣的環(huán)境，例如高溫、高壓、高電磁干擾，甚至有些測溫現(xiàn)場有一定的腐蝕性、放射性；或易燃易爆等，不適于電子測溫設備在現(xiàn)場工作。為解決在以上惡劣環(huán)境中測溫的難題，許多遠距離測溫設備被設計出來，如：遠距離紅外測溫設備、遠距離無線測溫設備等。但是，這些電子設備都具一些很關鍵的缺點，如紅外測溫設備易受空間光干擾、不能自動實時測量、不能進入空間狹小的測溫點、產(chǎn)生電火花等。而無線測溫設備的測溫節(jié)點容易受到現(xiàn)場電磁干擾，大大影響測溫精度，甚至無法進行測溫，同時不具有抗腐蝕、抗輻射能力。

近幾年來興起的熒光壽命測溫技術，是利用紫外或近紫外光作為泵浦光，對含銪稀土熒光粉進行泵浦，使其發(fā)射出下轉換熒光，熒光呈現(xiàn)粉紅色或紅色等。然后，通過大直徑光纖將熒光傳送到熒光壽命檢測裝置，從而換算出測溫點溫度。該技術能夠很好的解決測溫現(xiàn)場各種惡劣條件造成的測溫困難。但是，由于這種熒光壽命測溫技術使用的是含銪稀土熒光材料的下轉換熒光，泵浦光和熒光波長都不在光纖的低損耗窗口，因此光纖對泵浦光和熒光的損耗都很大；基于以上不足，現(xiàn)有熒光壽命測溫技術無法實現(xiàn)長距離測溫，其測溫距離只能達到幾十米，致使熒光壽命檢測裝置必須安裝在距離測溫現(xiàn)場較近的地方，容易使熒光壽命檢測裝置受到惡劣現(xiàn)場的影響，出現(xiàn)測溫精度降低甚至無法工作的情況。

為解決以上長距離測溫問題，研究采用光激勵稀土離子的上轉換發(fā)光技術，上轉換也稱為頻率上轉換或升頻轉換，即用長波長的光照射物質產(chǎn)生短波長發(fā)光的過程。最早的關于稀土離子上轉換的發(fā)光研究，可以追溯到20世紀50年代初期, 由于稀土上轉換在激光輸出、夜視等方面的獨特優(yōu)勢，國內(nèi)外許多研究團隊、科技公司對稀土離子的上轉換發(fā)光特性和機制展開了較全面、系統(tǒng)的研究。目前，稀土離子的上轉換效應已被應用到上轉換激光輸出、上轉換三維顯示、上轉換紅外探測、上轉換防偽技術等領域。上轉換發(fā)光機制主要包括激發(fā)態(tài)吸收、能量傳遞、合作上轉換、以及光子雪崩等，其中合作發(fā)光過程一般發(fā)生在兩個同種離子之間。此過程在1970年由Nakazawa首次在YbPO₄中發(fā)現(xiàn)。如圖1所示，用紅外或近紅外激光做為泵浦對稀土離子進行泵浦，將稀土離子a和b分別泵浦到激發(fā)態(tài)；處于激發(fā)態(tài)的a離子和b離子同時將能量傳遞到一個虛擬的激發(fā)態(tài)能級，發(fā)射出對應波長的熒光（上轉換熒光），而a離子和b離子通過無輻射躍遷回到基態(tài)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當泵浦光撤銷后，上轉換熒光并不會馬上消失，而是會以指數(shù)的形式衰減；將熒光強度衰減到初始熒光光強的1/e所經(jīng)歷的時間稱為熒光壽命；研究表明，上轉換熒光壽命與上轉換熒光材料溫度存在確定的函數(shù)關系。利用該上轉換熒光壽命與溫度的函數(shù)關系，只要測定上轉換熒光壽命就可以推算出對應的上轉換熒光材料的溫度，從而實現(xiàn)測溫。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對以上不足之處，提供了一種基于稀土離子上轉換熒光的光纖測溫裝置及其測溫方法，實現(xiàn)長距離的測溫。

本發(fā)明解決技術問題所采用的方案是：一種基于稀土離子上轉換熒光的光纖測溫裝置，包括一用于提供激勵光的激光器、用于傳輸激勵光的第一傳輸光纖、設置與測溫處用于收集并分離上轉換熒光的角錐棱鏡、用于傳輸上轉換熒光的第二光纖和用于檢測熒光壽命的熒光壽命檢測裝置，所述第一傳輸光纖一端與激光器連接，另一端與角錐棱鏡固定連接，所述第二傳輸光纖一端與所述角錐棱鏡固定連接，另一端與熒光壽命檢測裝置連接。

進一步的，所述角錐棱鏡由摻雜有稀土離子的玻璃、陶瓷或晶體切割加工而成，所述角錐棱鏡為直角三棱鏡，所述直角棱鏡的兩條上直角邊上分別鍍有泵浦光高反射膜和第一熒光高反射膜；所述直角棱鏡的兩條下直角邊上分別鍍有泵浦光高透射膜和第二熒光高反射膜。

進一步的，所述第一傳輸光纖和第二傳輸光纖分別垂直于角錐棱鏡的上直角邊或下直角邊設置。

進一步的，所述稀土離子為Er³⁺、Yb³⁺、 Pr³⁺、Tm³⁺或Er³⁺、Yb³⁺、 Pr³⁺、Tm³⁺之間的組合。

進一步的，采用Yb³⁺和Er³⁺氟化物玻璃加工成直角三棱鏡，其加工方法包括以下步驟：

步驟S1按53%ZrF₄、18%BaF₂、3%LaF₃、3%A1F₃、20%NaF、 1%YbF₃、1% ErF₃的摩爾分數(shù)比稱取純度為99.99%的上述成分共m克放置于瑪瑙研缽中，其中10≤m≤1000，充分研磨1小時制成樣品，將樣品放入白玉干鍋中；

步驟S2：在白玉干鍋中加入特定量的SF₆ ，并蓋住白玉干鍋蓋，將白玉干鍋放置到高溫爐膛內(nèi)；

步驟S3：開啟高溫爐，在950℃下加熱1小時，然后再在770℃下保溫1小時；

步驟S4：關掉高溫爐，進行自然冷卻；

步驟S5：從白玉干鍋中取出冷卻后的樣品，制成塊狀玻璃并進行切割，得到直角三棱鏡。

進一步的，所述激光器為泵浦激光器，所述激勵光為泵浦光。

進一步的，所述第一傳輸光纖和第二傳輸光纖均為石英光纖、塑料光纖或尼龍光纖。

進一步的，所述熒光壽命檢測裝置包括一主控制芯片和與所述主控制芯片電連的用于接收第二傳輸光纖輸入的光電轉換模塊、顯示模塊和通訊模塊，所述光電轉換模塊依次經(jīng)一信號放大模塊和一AD轉換模塊與所述主控制芯片電連；所述主控制芯片經(jīng)通信模塊與外部PC機電連；所述主控制芯片還與所述激光器電連。

進一步的，所述光電轉換模塊為PIN光電二極管；所述主控制芯片為MCU控制芯片。

本發(fā)明還提供一種如上述所述的基于稀土離子上轉換熒光的光纖測溫裝置的測溫方法，將角錐棱鏡設置于測溫處，開啟激光器，將激光器發(fā)出的光作為激勵光經(jīng)第一傳輸光纖傳輸至角錐棱鏡上，激勵光垂直入射到角錐棱鏡上，產(chǎn)生上轉換熒光，上轉換熒光從角錐棱鏡出射，耦合到第二傳輸光纖，經(jīng)第二傳輸光纖傳輸?shù)綗晒鈮勖鼨z測裝置進行上轉換熒光壽命的檢測，得到測溫處對應的溫度值。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明有以下有益效果：

（1）不受電磁干擾的影響，傳統(tǒng)的測溫方式都是通過電信號的變化進行測溫，在強電或強磁干擾的情況下會出現(xiàn)測溫不準、測溫精度降低甚至無法正常工作的情況。本發(fā)明以上轉換熒光的熒光壽命隨溫度變化的規(guī)律作為測溫原理，涉及的是與光有關的物理量，不會受到強電磁干擾的任何影響。

（2）對易燃易爆環(huán)境的測溫，實現(xiàn)產(chǎn)生電火花的電子器件設備遠離測溫點。本發(fā)明將角錐棱鏡安裝于測溫點處，激光器與熒光壽命檢測儀相距測溫處較遠，可達100米~1000米，即第一傳輸光纖和第二傳輸光纖可長為100米~1000米，實現(xiàn)長距離自動測溫。

（3）上轉換熒光測溫所采用的激勵光為紅外或近紅外光（如980nm，1550nm波長），此波段光在光纖中傳播時的損耗比現(xiàn)有紫光激勵下轉換熒光測溫技術中采用的紫外或近紫外光(如395nm)在光纖中傳播時的損耗小很多(約十分之一)，而產(chǎn)生的熒光在光纖中的損耗相近或更小，所以上轉化熒光測溫能夠真正實現(xiàn)長距離測溫。

（4）成本低，本發(fā)明采用的激光器、第一傳輸光纖、第二傳輸光纖等都是常用的、技術可靠的產(chǎn)品，可以大大降低上轉換熒光測溫設備的成本。

（5）測溫精度、靈敏度高，因為本發(fā)明所采用的上轉換發(fā)光技術，其泵浦光和上轉換熒光波長相差較大（上轉換熒光波長約為泵浦光波長一半，如用980nm泵浦光產(chǎn)生綠光，或紅光），容易實現(xiàn)上轉換熒光與泵浦光的分離，從而降低泵浦光對測溫精度和靈敏度影響，大大提高測溫精度和靈敏度。

附圖說明

下面結合附圖對本發(fā)明專利進一步說明。

圖1為稀土離子產(chǎn)生上轉換熒光的示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例的測溫裝置的控制框圖。

圖3為本發(fā)明實施例的角錐棱鏡的結構示意圖。

圖中：1-角錐棱鏡；2-第一傳輸光纖；3-第二傳輸光纖；4-泵浦光高反射膜；5-泵浦光高透射膜；6-第一熒光高反射膜；7-第二熒光高反射膜。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進一步說明。

如圖1～3所示，本實施例的一種基于稀土離子上轉換熒光的光纖測溫裝置，包括一用于提供激勵光的激光器、用于傳輸激勵光的第一傳輸光纖2、設置與測溫處用于收集并分離上轉換熒光的角錐棱鏡1、用于傳輸上轉換熒光的第二光纖和用于檢測熒光壽命的熒光壽命檢測裝置，所述第一傳輸光纖2一端與激光器連接，另一端與角錐棱鏡1固定連接，所述第二傳輸光纖3一端與所述角錐棱鏡1固定連接，另一端與熒光壽命檢測裝置連接。

從上述可知，本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明將角錐棱鏡1安裝于測溫點處，激光器與熒光壽命檢測儀相距測溫處較遠，實現(xiàn)長距離自動測溫。

在本實施例中，所述角錐棱鏡1由摻雜有稀土離子的玻璃、陶瓷或晶體切割加工而成，所述角錐棱鏡1為直角三棱鏡，所述直角棱鏡的兩條上直角邊上分別鍍有泵浦光高反射膜4和第一熒光高反射膜6；所述直角棱鏡的兩條下直角邊上分別鍍有泵浦光高透射膜5和第二熒光高反射膜7。

在本實施例中，所述第一傳輸光纖2和第二傳輸光纖3分別垂直于角錐棱鏡1的上直角邊或下直角邊設置。

在本實施例中，所述稀土離子為Er³⁺、Yb³⁺、 Pr³⁺、Tm³⁺或Er³⁺、Yb³⁺、 Pr³⁺、Tm³⁺之間的組合?，F(xiàn)有的下轉換熒光壽命測溫方法采用的熒光材料都是銪摻雜的稀土化合物熒光材料，這些材料都為粉末狀，不利于測溫探頭的制作、探頭的穩(wěn)定性及探頭與測溫點的準確接觸；而本發(fā)明采用的上轉換熒光材料是單摻雜、雙摻雜或多摻雜的透明玻璃、陶瓷或晶體，角錐棱鏡1能夠簡單、緊湊、穩(wěn)固的與光纖結合，且能夠準確貼合到測溫點上。

在本實施例中，采用Yb³⁺和Er³⁺氟化物玻璃加工成直角三棱鏡，其加工方法包括以下步驟：

步驟S1：按53%ZrF₄、18%BaF₂、3%LaF₃、3%A1F₃、20%NaF、 1%YbF₃、1% ErF₃的摩爾分數(shù)比稱取純度為99.99%的上述成分共m克放置于瑪瑙研缽中，其中10≤m≤1000，充分研磨1小時制成樣品，將樣品放入白玉干鍋中；

步驟S2：在白玉干鍋中加入特定量的SF₆ ，并蓋住白玉干鍋蓋，將白玉干鍋放置到高溫爐膛內(nèi)；

步驟S3：開啟高溫爐，在950℃下加熱1小時，然后再在770℃下保溫1小時；

步驟S4：關掉高溫爐，進行自然冷卻；

步驟S5：從白玉干鍋中取出冷卻后的樣品，制成塊狀玻璃并進行切割，得到直角三棱鏡。

研究表明，當用976nm激光照射Yb³⁺,Er³⁺氟化物玻璃樣品時，樣品會發(fā)射出很強的綠色上轉換熒光，上轉換熒光的波長在515nm到545nm之間。為了使976nm激光能夠更好地被樣品吸收并輻射出熒光，在直角三棱鏡樣品上直角邊鍍上976nm為中心的泵浦光高反射膜4。同時為了能夠更好地收集上轉換熒光，在該樣品做成的角錐棱鏡1直角上邊鍍上530nm為中心，帶寬15nm的第一熒光高反射膜6，實現(xiàn)將976nm的泵浦光和530nm左右的上轉換熒光進行高效分離；同時在在直角棱鏡的下直角邊鍍上對530nm的第二熒光高反射膜7和對976nm的泵浦光高透射膜5，實現(xiàn)976nm的泵浦光透射而530nm左右的上轉換熒光被反射。當直角三棱鏡上下兩直角邊都鍍膜完畢后，采用紫外固化膠將泵浦光光纖和熒光光纖粘結在一起，與斜邊固定在一起，形成組合光纖鍍膜直角三棱鏡。

泵浦光中心波長為976nm，上轉換熒光的波長在515nm到545nm之間，第一傳輸光纖2選擇直徑為125μm的普通通信單模石英光纖作為泵浦光光纖，第二光纖選用直徑為400μm的多模光纖作為上轉換熒光的傳輸光纖。

實驗研究得到該樣品上轉換熒光的熒光壽命在常溫下約為1700微秒左右，而溫度每變化一個攝氏度，熒光壽命約變化6微秒，所以對于AD轉換模塊的轉換速度和主控制芯片處理速度要求相對較低，故而選用STM32F103RCT6作為主控制芯片，同時該單片機上具有采樣周期最短為1微秒的AD轉換功能，所以無需外加AD轉換芯片。同時該芯片具有串口通信功能，只需在外部加上一個RS232的電平轉換芯片就可以實現(xiàn)RS232通信功能。

在本實施例中，所述激光器為泵浦激光器，所述激勵光為泵浦光。

在本實施例中，所述第一傳輸光纖2和第二傳輸光纖3均為石英光纖、塑料光纖或尼龍光纖。

在本實施例中，所述熒光壽命檢測裝置包括一主控制芯片和與所述主控制芯片電連的用于接收第二傳輸光纖3輸入的光電轉換模塊、顯示模塊和通訊模塊，所述光電轉換模塊依次經(jīng)一信號放大模塊和一AD轉換模塊與所述主控制芯片電連；所述主控制芯片經(jīng)通信模塊與外部PC機電連。所述激光器與所述主控制芯片電連。

在本實施例中，所述光電轉換模塊為PIN光電二極管；所述主控制芯片為MCU控制芯片。

本發(fā)明還提供一種如上述所述的基于稀土離子上轉換熒光的光纖測溫裝置的測溫方法，將角錐棱鏡1設置于測溫處，開啟激光器，將激光器發(fā)出的光作為激勵光經(jīng)第一傳輸光纖2傳輸至角錐棱鏡1上，激勵光垂直入射到角錐棱鏡1上，產(chǎn)生上轉換熒光，上轉換熒光從角錐棱鏡1出射，耦合到第二傳輸光纖3，經(jīng)第二傳輸光纖3傳輸?shù)綗晒鈮勖鼨z測裝置進行上轉換熒光壽命的檢測，得到測溫處對應的溫度值。

本發(fā)明提供測溫裝置的具體實施過程如下：

采用中心波長為976nm的半導體激光器作為泵浦光光源，激光器通過STM32F103RCT6的一個IO腳控制可以實現(xiàn)在15納秒內(nèi)關斷激光輸出。976nm激光器輸出的激光作為泵浦光通過一條直徑為125μm的石英光纖（即第一傳輸光纖2）進行遠距離傳輸后照射到直角三棱鏡上，在直角三棱鏡上得到上轉換熒光： 通過泵浦光Yb³⁺,Er³⁺氟化物玻璃材料進行泵浦，使其發(fā)射波長在515nm到545nm之間的上轉換熒光。該直角三棱鏡是由Yb³⁺和Er³⁺氟化物玻璃材料切割成的直角三棱鏡。第一傳輸光纖2和第二傳輸光纖3與直角三棱鏡通過紫外固化膠粘合。直角三棱鏡同時具有收集上轉換熒光的作用，上轉換熒光會在直角三棱鏡斜邊上出射，采用400μm直徑的石英光纖作為第二傳輸光纖3，將上轉換熒光進行長距離傳輸后入射到納秒精度的熒光壽命檢測裝置，所述熒光壽命檢測裝置采用PIN光電二極管作為感光元件，將光信號轉成電信號后再經(jīng)過兩次放大，然后輸入到AD轉換模塊中；采用STM32F103RCT6作為主控制芯片，放大后的電信號經(jīng)AD轉換后得到數(shù)字化的熒光衰減曲線，主控制芯片通過算法從衰減曲線中提取出熒光壽命，得到的熒光壽命通過預置的擬合曲線可以換算出測溫處的實際溫度。經(jīng)過實際驗證，該檢測裝置夠檢測到10納秒以上的熒光壽命變化，對應于0.01攝氏度的溫度變化。選用的STM32F103RCT6具有串口通信功能，只需在外加一片MAX232作為RS232電平轉換芯片就可實現(xiàn)RS232通信功能。

綜上所述，本發(fā)明提供的一種基于稀土離子上轉換熒光的光纖測溫裝置及其測溫方法，結構簡單，成本低，可靠性高，可以實現(xiàn)長距離的測溫。