熒光式光纖測溫的基本原理

根據(jù)熒光余暉壽命與溫度的函數(shù)關(guān)系制造的熒光法溫度測量裝置，具有傳統(tǒng)溫度測量方法無法比擬的優(yōu)勢。

熒光法測溫的基本原理

當(dāng)某種物質(zhì)受到激發(fā)時(shí)，如被波長較短的可見光或紫外光照射、電場激勵或化學(xué)反應(yīng)等，會將能量吸收并儲存，通過基態(tài)躍遷至具有一定振動能級的激發(fā)態(tài)。 但該激發(fā)態(tài)并不穩(wěn)定，可能會恢復(fù)至平衡狀態(tài)，且當(dāng)外界激發(fā)源停止作用后，發(fā)光現(xiàn)象會持續(xù)一段時(shí)間，該現(xiàn)象即為余暉。 此外，熒光物質(zhì)的分子在去活化過程中，不穩(wěn)定的激化態(tài)分子會通過能級躍遷，從高能級回到低能級，且過剩的能量會以電磁輻射的形式發(fā)光。 因此根據(jù)激發(fā)方式的不同，可分為光致發(fā)光、電致發(fā)光、化學(xué)發(fā)光和生物發(fā)光等。

根據(jù)普朗克定律，當(dāng)入射光的能量被發(fā)光材料接收時(shí)，會激發(fā)材料中的電子產(chǎn)生電子能級躍遷現(xiàn)象，且該過程中會產(chǎn)生波長為 λ 的出射光。 高能級與低能級的能量差的公式為：

Ｅ２ － Ｅ１ ＝ ｋ λ ｖ ＝ ｋｆ

式中：Ｅ１—電子在較低能級時(shí)的能量；

Ｅ２———電子在較高能級時(shí)的能量；

ｋ———普朗克常數(shù)；

ｖ———光在真空中的傳播速度；

ｆ———光的頻率；

λ———出射光的波長。

由于 Ｅ１ 、Ｅ２分別處于不同的能帶中，為某一波段的光，而分子中的能量包括電子能產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)能和核間軸彈性振動引起的振動能。 因此，當(dāng)分子吸收光輻射時(shí)，經(jīng)量子躍遷后，電子能會從基態(tài)升至較高的能級，且轉(zhuǎn)動能和振動能會同時(shí)發(fā)生變化，使三種能量相互作用。 其中，入射光消失后，發(fā)光材料會持續(xù)發(fā)光一段時(shí)間，該出射光即為熒光；而高頻短波的光能會激發(fā)出長波低頻的光，且服從斯托克斯定律。

熒光測量法的基本理論依據(jù)為：當(dāng)熒光線狀光譜的強(qiáng)度與溫度呈現(xiàn)單調(diào)性，熒光物質(zhì)的溫度決定光淬滅過程的時(shí)間時(shí)，即可進(jìn)行熒光測溫。 因此，一般分為熒光強(qiáng)度測溫法、熒光壽命測溫法和激光誘導(dǎo)熒光法等。 其中，熒光壽命測溫法在溫度測量過程中不易受激勵光源強(qiáng)度、耦合程度和光纖傳輸效率的影響，具有更明顯的使用優(yōu)勢。 其測溫原理為：激勵光源移除后，熒光物質(zhì)持續(xù)發(fā)射熒光的時(shí)間即為熒光壽命，取決于激發(fā)態(tài)的壽命。 在一定的溫度范圍內(nèi)，熒光物質(zhì)的熒光壽命長短與對應(yīng)的溫度高低相關(guān)。 熒光壽命是指當(dāng)激發(fā)光源被切斷后，熒光強(qiáng)度衰減至原強(qiáng)度的 １ ／ ｅ 經(jīng)歷的時(shí)間，與溫度的關(guān)系可表示為：

τ（Ｔ） ＝１ ＋ｅ－ΔＥ／（ＫＴ）Ｒｓ＋ ＲＴｅ－ΔＥ／（ＫＴ）

式中：Ｒｓ、ＲＴ 、Ｋ、ΔＥ———常數(shù)；

Ｔ———熱力學(xué)溫度。

由此可知，熒光余暉衰變的時(shí)間常數(shù)與溫度為單值函數(shù)關(guān)系，且只與溫度有關(guān)。