本發(fā)明涉及一種溫度傳感方法，特別是光學(xué)溫度傳感方法。

背景技術(shù)：

在科研和生產(chǎn)中，溫度是檢測與控制的重要參數(shù)。傳統(tǒng)的測溫技術(shù)已很成熟，如熱電偶和半導(dǎo)體等其他溫度傳感器，但其敏感特性以電信號為工作基礎(chǔ)，難以甚至無法應(yīng)用于易爆易燃、高電壓、強(qiáng)電磁場、具有腐蝕性氣體液體等特殊環(huán)境中，而光學(xué)傳感技術(shù)具有完全電絕緣性、抗化學(xué)腐蝕和且無污染的特點(diǎn)，可應(yīng)用于上述特殊環(huán)境中。

目前，光學(xué)溫度傳感技術(shù)主要有紅外測溫和熒光測溫兩種。紅外測溫是通過不同的紅外波長來確定紅外測溫儀的測量范圍，能夠應(yīng)用于低中高全溫區(qū)(-30～3000℃)；但是，紅外測溫儀易受環(huán)境因素影響(環(huán)境溫度，空氣中灰塵等)，測溫誤差較大，靈敏度低，目前常應(yīng)用于高溫區(qū)。而熒光測溫可以克服上述缺點(diǎn)，目前已被用于中低溫區(qū)的溫度測量。熒光測溫是通過發(fā)光材料的發(fā)光強(qiáng)度或壽命對溫度的依賴性來實(shí)現(xiàn)，一般分為熒光強(qiáng)度型溫度傳感器和熒光壽命型溫度傳感器。熒光強(qiáng)度型傳感器易受泵浦光源在對熒光材料激勵(lì)過程中產(chǎn)生的擾動(dòng)的影響，從而導(dǎo)致精度較低，目前應(yīng)用較少。熒光壽命型傳感器目前應(yīng)用較廣，由于熒光壽命是溫度的單值函數(shù)，與系統(tǒng)的其他變量無關(guān),例如光源強(qiáng)度的變化、傳輸效率、耦合程度的變化等,較光強(qiáng)測溫法原理上有明顯優(yōu)勢，但該類型的溫度傳感器通常需要配備脈沖泵浦光源等，成本較高，另外還存在其他不足之處，如不能利用整個(gè)衰減過程所包含的信息、測量動(dòng)態(tài)范圍以及數(shù)值算法繁瑣而使程序設(shè)計(jì)復(fù)雜,極大地延長信號處理時(shí)間等，這些缺陷使得熒光壽命型傳感器的測量精度與響應(yīng)速度都受到了嚴(yán)重影響。熒光測溫主要是采用稀土離子作為發(fā)光中心，原因是稀土離子具有優(yōu)異的發(fā)光特性，相比于上述兩種傳感器，基于稀土離子的熒光強(qiáng)度比溫度傳感器不僅可以消除由泵浦光的擾動(dòng)帶來的誤差，還可以解決熒光信號的傳輸損耗對測溫造成的影響，從而降低系統(tǒng)誤差；另外，相比于熒光壽命型傳感器，這類傳感器所需泵浦設(shè)備價(jià)格很低，在信號探測方面也具有很大的優(yōu)勢，故此類傳感器具有良好的市場前景。

盡管基于稀土離子熱耦合能級機(jī)理的發(fā)光特性已被用于中低溫區(qū)的溫度傳感，但是，隨著溫度的進(jìn)一步升高，熒光發(fā)生淬滅，限制測溫上限的進(jìn)一步提高；另外，根據(jù)熱耦合能級模型導(dǎo)出的溫度誤差公式所得，材料的靈敏度越高，則測溫誤差越小，精度越高。故要想得到精度高、測溫范圍寬的熒光強(qiáng)度比傳感器，就必須實(shí)現(xiàn)較寬溫度范圍內(nèi)的熒光熱增強(qiáng)和高靈敏度的要求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)中低溫區(qū)高精度非接觸測溫的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種測溫范圍寬、高溫?zé)晒鈴?qiáng)度高的基于釹離子近紅外熒光的高靈敏度溫度傳感方法。

為了達(dá)到上述目的，所采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明基于稀土離子近紅外熒光的高靈敏度溫度傳感方法按以下步驟進(jìn)行：

1、采用熔融淬火法將Yb₂O₃、Nd₂O₃、Na₂O、Al₂O₃、CaO和P₂O₅混合，它們的摩爾比為P₂O₅：CaO：Na₂O：Al₂O₃：Nd₂O₃：Yb₂O₃＝50:20:25:5:0.1:5，然后將混合物置于高溫爐中，1250℃條件下加熱1.5小時(shí)后，將磷酸鹽玻璃溶液傾倒在經(jīng)50℃預(yù)熱過的不銹鋼模具中，400℃下退火3小時(shí)，最后將玻璃體切割、拋光即可得到Nd³⁺/Yb³⁺摻雜的熒光溫度傳感材料；

2、測試不同溫度下上述熒光溫度傳感材料的光致發(fā)光光譜，建立748nm(⁴F_7/2→⁴I_9/2)和863nm(⁴F_5/2→⁴I_9/2)熒光峰強(qiáng)度比隨溫度變化的標(biāo)準(zhǔn)曲線；

3、將熒光溫度傳感材料置于待測溫度環(huán)境中，分別測量升溫和降溫過程中熒光溫度傳感材料的光譜，得到相應(yīng)的熒光峰，并計(jì)算出748nm(⁴F_7/2→⁴I_9/2)和863nm(⁴F_5/2→⁴I_9/2)對應(yīng)的熒光峰強(qiáng)度比，然后將熒光強(qiáng)度比數(shù)據(jù)代入步驟2所述的標(biāo)準(zhǔn)曲線中對比，從而得到待測環(huán)境的溫度測量值以及其與環(huán)境溫度的偏差，并得到升溫降溫過程中較好的重復(fù)性，完成基于Nd³⁺發(fā)光特性的高靈敏度溫度測量。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明通過稀土摻雜磷酸鹽玻璃，利用聲子輔助能量傳遞機(jī)理，在較寬溫度范圍內(nèi)(345K～785K)得到了隨溫度升高反而大幅度增強(qiáng)的熒光，提高了系統(tǒng)的信噪比，在845K觀察到了熒光強(qiáng)度降低，且幅度非常小，此現(xiàn)象表明在保證一定系統(tǒng)信噪比的情況下還可進(jìn)一步提高測溫上限，但是由于實(shí)驗(yàn)儀器的限制，未進(jìn)一步測量；

2、采用能量差較大的熱耦合能級對⁴F_7/2→⁴I_9/2(748nm)和⁴F_5/2→⁴I_9/2(863nm)測溫，消除了因熒光譜帶交疊產(chǎn)生的測溫誤差，得到了較高的靈敏度，在室溫時(shí)相對靈敏度達(dá)到最大，約為0.02K^-1；

3、由于磷酸鹽穩(wěn)定性好，耐高溫，易于拉制成光纖，方便進(jìn)一步制成光纖溫度傳感器；

4、本發(fā)明所得到的熒光信號處于近紅外區(qū)，可用成本較低且技術(shù)成熟的光電二極管等探測器探測，降低了傳感器制作成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明熒光溫度傳感材料Nd³⁺和Yb³⁺摻雜Ca₃(PO₄)₂玻璃的XRD圖。

圖2為Nd³⁺和Yb³⁺摻雜Ca₃(PO₄)₂玻璃的示差量熱分析圖。

圖3為本發(fā)明熒光溫度傳感材料Nd³⁺和Yb³⁺摻雜Ca₃(PO₄)₂玻璃光致熒光變溫譜圖。

圖4為本發(fā)明根據(jù)Ca₂(PO₄)₃：Nd³⁺/Yb³⁺玻璃樣品在748nm(⁴F_7/2→⁴I_9/2)和863nm(⁴F_5/2→⁴I_9/2)所對應(yīng)的熒光峰強(qiáng)度比隨溫度的變化所作出的標(biāo)準(zhǔn)測溫曲線圖，圖中-■-為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

圖5為本發(fā)明溫度傳感材料Ca₃(PO₄)₂：Nd³⁺/Yb³⁺玻璃的靈敏度隨溫度的變化的擬合曲線圖，圖中-■-為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

圖6為Ca₃(PO₄)₂：Nd³⁺/Yb³⁺玻璃樣品分別在升溫降溫過程中熒光強(qiáng)度比信號隨溫度的變化關(guān)系圖。

圖7為Ca₃(PO₄)₂：Nd³⁺/Yb³⁺玻璃樣品分別在升溫和降溫過程中由熒光強(qiáng)度比信號代入到標(biāo)準(zhǔn)曲線中計(jì)算得到的溫度不確定度分布圖。

具體實(shí)施方式

按照摩爾比例(mmol％)精確稱量50P₂O₅-20CaO-25-Na₂O-5Al₂O₃-0.1Nd₂O₃-5Yb₂O₃混合物15g，將原材料充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆蚝?，倒入坩堝?nèi)，并將其置于高溫爐中，1250℃條件下加熱1.5小時(shí)后，將磷酸鹽玻璃溶液傾倒在經(jīng)50℃預(yù)熱過的不銹鋼模具中，400℃下退火3小時(shí)，最后將玻璃體切割、拋光即可，

對制備得到的摻釹磷酸鈣樣品分別進(jìn)行XRD和示差量熱分析測試，XRD測試結(jié)果如圖1所示，圖中未出現(xiàn)明顯的衍射尖峰，說明無晶相生成，仍為磷酸鈣玻璃，可以保證其原有的物理特性；示差量熱測試結(jié)果如圖2所示，圖中曲線說明樣品未發(fā)生明顯的吸熱放熱反應(yīng)，其磷酸鈣玻璃未發(fā)生變化，可以在345K～785K進(jìn)行溫度測量。

測試不同溫度下上述熒光溫度傳感材料的光致發(fā)光譜，建立748nm(⁴F_7/2→⁴I_9/2)和863nm(⁴F_5/2→⁴I_9/2)熒光峰強(qiáng)度比隨溫度變化的標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖3所示，熒光溫度傳感材料隨著溫度的增加⁴F_7/2→⁴I_9/2和⁴F_5/2→⁴I_9/2發(fā)射帶的熒光強(qiáng)度增強(qiáng)，且⁴F_7/2→⁴I_9/2發(fā)射帶強(qiáng)度相對大于⁴F_5/2→⁴I_9/2發(fā)射帶的熒光強(qiáng)度，此種情況下，這兩個(gè)能級的熒光強(qiáng)度比信號FIR可用下式表示：

其中I₇₄₈和I₈₆₃分別表示中心波長位于748nm和863nm處的熒光強(qiáng)度，A為常數(shù)，T為絕對溫度，B為上述兩能級之間能量差。

圖4是⁴F_7/2→⁴I_9/2和⁴F_5/2→⁴I_9/2發(fā)光強(qiáng)度比隨溫度的變化關(guān)系利用公式(1)擬合曲線圖，由圖可知擬合曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匹配一致。

將熒光溫度傳感材料置于待測溫度環(huán)境中，分別在升溫降溫過程中測量熒光溫度傳感材料的光譜，如圖5所示，計(jì)算出748nm(⁴F_7/2→⁴I_9/2)和863nm(⁴F_5/2→⁴I_9/2)對應(yīng)的熒光峰強(qiáng)度比，然后將熒光強(qiáng)度比數(shù)據(jù)代入圖4標(biāo)準(zhǔn)曲線中，得到待測環(huán)境的溫度測量值，圖6顯示的是樣品分別在升溫和降溫過程中熒光強(qiáng)度比信號隨溫度的變化關(guān)系，即相同溫度點(diǎn)下熒光強(qiáng)度比值相同，有較好的重復(fù)性。

本發(fā)明將相對靈敏度定義為：

上兩式中S為Ca₂(PO4)₃：Nd³⁺/Yb³⁺的相對靈敏度，如圖5所示，在345K時(shí)溫度傳感器的靈敏度達(dá)到最大值，約為0.02K^-1。式(4)中的ΔT為材料的測溫誤差，F(xiàn)IR為熒光強(qiáng)度比，dFIR/dT表示的是隨溫度變化的熒光強(qiáng)度比信號的變化率。從式4中，S越大，測溫不確定度越小，圖7為所制備的溫度傳感材料在345K到785K溫度范圍內(nèi)的不確定度分布圖，可以看出不確定度。