基于荧光光谱的温度采集系统设计

李彦 王艳红 张陈 魏艳龙

【摘要】本文基于光纤荧光的测温机理介绍了测量系统的总体结构及荧光信号检测电路，利用该系统通过检测荧光物质寿命实现了温度测量。本系统能够对被测对象进行精准度较高的温度检测。

【关键词】荧光光纤;荧光信号检测;温度测量

1.引言

温度是一个重要的物理量，在生产生活和科研领域扮演着十分重要的角色。测温方法有很多，应用最多的是根据某些物理化学测量值与温度的函数关系间接测量得到温度[1]。

科技的发展使工业生产和某些领域需要高精度的温度条件，这要求测温系统响应快，精度高，稳定性强。利用荧光、光纤等材料的固有特性配合光电探测技术实现测温简单有效。光纤荧光测温系统不仅能实现物体表面温度的测量，还能测量物体内部的温度，或者监测某特定区域的温度[2]。

2.测温原理

荧光材料受到一定能量的光激发使荧光材料发出荧光，当激励光停止发射时，荧光的发光持续时间取决于激发态寿命。在某特定温度范围内，当荧光物质受激产生荧光，其荧光衰减时间和荧光强度会表现出一定的温度相关性，荧光测温的机理就表现在温度相关性上[3]。

在荧光物质受激产生荧光的过程中，将其中某个受温度影响的参数调制成温度的单值函数，就可以利用这种关系测量温度。荧光物质被能量高的光照射激发出的荧光强度会随时间成指数规律衰减[3-4]：

（1.1）

式中，I0是t=0s时的荧光强度;τ为荧光寿命，它是荧光材料的特性参数，荧光衰减曲线如图1所示。

图1 荧光衰减曲线

荧光寿命与温度的关系[4]：

（1.2）

式中，Rs、RT、k、△E为常数，T为热力学温度。

由此可见，荧光寿命τ是温度的单值函数，随着温度的升高，荧光寿命减小，测得荧光寿命就可以得到温度的值，因此，利用该方法测量温度只取决于荧光寿命τ，与其他参数没有关系。用这种方法测量荧光寿命从而获得温度值。

3.测温系统总体结构

光纤荧光光谱测温实验装置如图2所示，系统采用的荧光材料为Cr3+：YAG晶体，把Cr3+离子掺入YAG（Y3Al5O12）制成温度传感探头，一端置于测温环境中，另一端连接石英光纤。使用蓝色发光二极管作激励光源。该系统主要包括五部分，首先激励光源在压控振荡器调制下输出，激励光由透镜耦合进入光纤，滤光片除去杂散光后经光纤耦合器成多路光纤激发荧光物质，荧光信号进入接收光纤，经光纤耦合器和滤光片后被光电探测器探测，荧光信号被放大和滤波后进入双参考信号锁相环检测电路，输出频率被输入到单片机系统中，单片机计算荧光寿命，进而得到目标温度值，最后通过显示装置显示所测得的温度值。

4.荧光信号检测电路设计

4.1 系统光源驱动电路

本系统采用周期性的驱动电路来驱动激励光，以产生周期性变化的荧光，然后使用采集电路检测荧光寿命。光源经调制后会按一定规律激励荧光物质产生荧光，其相位比激励光源滞后一个相位。图3.1为LED光源的驱动电路，电路结构简单，使用的器件性能稳定，功耗较低，可以满足长时间驱动LED光源的要求。

图2 光纤荧光光谱测温系统

图3.1 系统光源驱动电路

4.2 光电探测电路

激发光源照射荧光材料发出的荧光必须被实时、准确的检测出来，所以光电检测器件需要响应快，稳定性好，灵敏度高。

4.2.1 I-U转换电路

系统探测到的荧光信号很微弱，需要高增益的放大器将光电探测器探测到的微弱光电流放大。因此，利用运算放大器高增益性质的电流—电压变换器可以实现高阻抗放大器的功能而又不影响系统的频率响应，图3.2为I-U转换电路。

图3.2 I-U转换电路

图3.3 信号放大电路

4.2.2 信号放大电路设计

本系统的放大电路由低失调、低漂移、低噪声，非斩波稳零的OP07双极性精密运算放大器及电阻、电容来组成，如图3.3所示。

4.2.3 滤波电路设计

本设计中的荧光信号是某个波段的光信号，则必须采用带通滤波电路采集有用信号，提高系统的信噪比，图3.4为系统采用的滤波电路。

4.2.4 移相电路

在脉冲调制的双参考信号锁相环路中，为能够得到真实的荧光信号，需要设计延迟电路使得参考信号和荧光信号同步，才能同时经过乘法器获得正确的信号。移相电路如图3.5所示。

图3.4 滤波电路设计

图3.5 延时电路

图3.6 锁相检测电路

表1 不同温度下的荧光寿命值

温度

（℃） 荧光寿命

（ms） 温度

（℃） 荧光寿命（ms）

10 2.943 30 2.805

50 2.689 70 2.644

90 2.537 110 2.445

130 2.264 150 2.122

170 1.968 190 1.784

210 1.661 230 1.517

250 1.283 270 1.252

290 1.168 310 1.093

330 1.045 350 0.958

370 0.884 390 0.808

410 0.709 430 0.612

450 0.522

4.2.5 锁相环的设计

本设计采用的电路是CD4046B微功耗锁相环集成电路。锁相检测电路如图3.6所示。

经过滤波电路后，信号中的随机干扰和噪声被滤除，信号进入锁相环路，环路锁定后，输出频率作为控制信号，通过V-MOS场效应管控制激发光源的驱动电路，使荧光材料发出周期性的荧光，同时输出频率被送往单片机，由单片机进行统计与计算，然后得出所测目标的温度值。

5.实验结果与分析

实验需先测得不同温度下该材料的荧光寿命，然后存入数据表中，在测量时，先取得荧光寿命，然后在程序中用查表的方法取得温度值。表1和表2分别给出了不同温度下的荧光寿命值和探头的荧光寿命值。

表2 不同温度下探头的荧光寿命值

温度

（℃） 荧光寿命

（ms） 温度

（℃） 荧光寿命

（ms）

10 2.942 30 2.804

50 2.688 70 2.643

90 2.536 110 2.444

130 2.262 150 2.120

170 1.968 190 1.785

210 1.662 230 1.517

250 1.282 270 1.250

290 1.166 310 1.092

330 1.044 350 0.957

370 0.886 390 0.807

410 0.715 430 0.606

450 0.503

如图4.1给出了荧光寿命与温度的关系，图4.2是经过探头后荧光寿命与温度的关系图。比较图4.1和图4.2，在0-400℃范围内，两曲线相差不大，但在400℃-450℃范围内，差别开始明显，原因是荧光强度随温度升高而减弱，并且温度升高时荧光寿命减小，压控振荡器输出频率ω逼近ω0时间变长，环路锁定的时间变长，系统的整体响应变慢。由图2知，荧光寿命随着温度的升高而下降，10℃时，荧光寿命约为3ms，而450℃时，荧光寿命约为0.5ms，信号处理电路的时间分辨率约为2μs，系统平均温度分辨率约为0.4℃。温度升高分辨率下降是因为荧光信号的强度随温度的升高而减弱，且荧光物质的热辐逐渐增大，杂质信号也逐渐增大，信号中有用信号的比率下降，导致误差越来越大。

图4.1 荧光寿命与温度的关系（Cr3+：YAG）

图4.2 荧光寿命与温度的关系（经过探头）

6.结论

本文通过荧光寿命计算出相应的温度，实现对温度的绝对测量。该系统结合相关计算机技术和数据采集单片机系统实现通讯控制，操作比较简单，可以及时测量并存储数据，提高了系统的智能化。同时系统对温度的测量具有准确度高、抗电磁干扰、分辨率高等优点，在强电磁干扰的环境中优势明显。

参考文献

[1]张友俊，胡文豪，汤伟中.荧光光纤温度传感器原理性实验系统的研制[J].传感器技术，1997，16（2）：7-9.

[2]关晓平.一种新型的荧光光纤温度测量系统[J].传感器技术，2001，20（4）：20-22.

[3]K.T.V.Grattan and Z.Y.Zhang.Fiber optic flurescence thermometry.London：CHAPMAN & HALL，1995：1-200.

[4]J.Castrellon-Uribe，G.Paez，M.Strojnnik.Radiometric analysis of a fiber optic temperature sensor.SPIE.2002，（4486）：164-169.

作者简介：李彦（1989—），女，中北大学硕士研究生在读，主要研究方向：光谱测温。