一种上转换荧光强度比测温技术的修正方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种上转换荧光强度比测温技术的修正方法。
【背景技术】
[0002]为了满足科学研究以及工业技术中某些特殊环境对温度测量的需要，荧光温度传感技术这种基于荧光材料光谱性质的温度依赖关系的非接触温度传感方法引起了人们的广泛关注，具有重要的实用价值。
[0003]荧光强度比测温技术(FIR)是荧光温度传感技术中应用最为重要的一种，其原理是利用稀土离子的两个相邻的具有热耦合关系的激发态能级向某一低能级跃迀时发射的荧光强度的比值来测温，这种利用比值的测温方法具有抗干扰、噪声小、成本低的优点。FIR技术中，两个荧光强度的大小与能级上热布局的粒子数成正比，而热布局的粒子数满足玻尔兹曼分布，因此荧光强度的比值满足公式FIR = AeXp(-△E/kT)。式中，FIR表示荧光强度比值、ΔΕ为两个热偶和能级之差、k为玻尔兹曼常数、T为温度。由此公式可以得出，FIR技术的测温灵敏度为S= ΔΕ/kT2。
[0004]目前，荧光强度比测温技术仍然存在一些问题使得这种技术在实际应用中比较困难。为了获得更高的测温灵敏度，通常需要选择能级差A E大的材料，而ΔΕ增大时，热耦合能级对的上能级辐射的荧光强度很弱，荧光信号的信噪比很低，因此会引起较大的测温误差，此外，当AE减小时，FIR公式又不完全满足玻尔兹曼分布，此时公式中需要加入修正项，变为FIR = Aexp(-ΔΕ/kT)+B，修正项B的引入会导致测温结果不准确。因此对FIR进行修正以消除修正项能够使得FIR技术在保持较高的测温灵敏度的同时其测温准确性也得到保证。
【发明内容】
[0005]本发明是要解决现有测温技术测温结果不准确的问题，提供一种上转换荧光强度比测温技术的修正方法。
[0006]本发明一种上转换荧光强度比测温技术的修正方法，是按以下步骤进行的:一、980nm 二极管激光发出的脉冲激发光经过凸透镜汇聚照射到稀土离子掺杂的感温材料上，稀土离子掺杂的感温材料所发射的上转换荧光通过另一凸透镜汇聚入射到计算机控制的光栅光谱仪中，其中计算机控制的光栅光谱仪采集的荧光光谱具有两个荧光发射峰，分别为稀土离子两个相邻且存在热耦合关系的能级到下能级辐射跃迀所产生的荧光发射峰，上能级A发射的荧光波长短于下能级B发射的波长；二、将计算机控制的光栅光谱仪连接存储示波器，存储示波器进行不同温度下荧光衰变曲线的测量，得到不同温度下的下能级B荧光衰变曲线和上能级A荧光衰变曲线；计算机进行数据处理，给出修正系数，修正后的荧光强度比为FIRC= FIR.(^/(Ca+Ci)，得到修正曲线；所述的上能级A为稀土离子两个相邻且存在热耦合关系的能级中的上能级；下能级B为稀土离子两个相邻且存在热耦合关系的能级中的下能级。
[0007]本发明中980nm 二极管激光发出的脉冲激发光经过凸透镜汇聚照射到感温材料上，感温材料所发射的上转换荧光通过凸透镜汇聚入射到光谱仪中，由光谱仪对所探测到的荧光进行光谱分析。分别测量来源于热耦合能级辐射跃迀的两个荧光峰的衰变曲线。由于下能级上转换荧光来源于镱离子的敏化作用，其归一化的荧光衰变曲线呈双e指数规律衰减山=CQ1exp(_t/τ J+Q^expC-t/τ 2)，τ jP τ 2为拟合的寿命，C Q1、CQ2为拟合权重系数。由于两个能级存在热耦合关系，上能级辐射强度12随时间t的衰变规律呈三e指数衰减:I2(t) = C0exp(_t/ τ。)+Q [CMexp (_t/ τ 3)+C02exp (_t/ τ4)]，短寿命 τ。为能级本征寿命，另外两个寿命与下能级荧光辐射寿命一致，C。、^为拟合权重系数。固定τ 3= τ ρ τ4=τ 2，利用CM、C02, τ 3、τ 4对上能级上转换荧光的衰变曲线进行三e指数拟合，获得拟合参量C。和C 10 FIR的修正系数为，修正后的荧光强度比表示为FIRe= FIR.C。/(Co+Ci)。此修正后上转换荧光的荧光强度比随温度的变化规律与玻尔兹曼分布律没有偏差。
[0008]本发明的修正方法消除了荧光强度比与玻尔兹曼分布律的偏差，在保持了荧光强度比方法抗干扰能力强、稳定性好、灵敏度高的优点的同时，提高了其测温的准确度。
【附图说明】
[0009]图1为实施例1的流程示意图；其中1为405nm发光二极管、2为透镜、3为镱和镑掺杂的感温材料、4为另一透镜、5为光栅光谱仪、6为计算机；
[0010]图2为980nm激光激发下稀土铥的上转换荧光光谱；
[0011]图3为修正前的FIR与波尔兹曼分布率偏差的示意图，“〇”为修正前的FIR，a为波尔兹曼分布曲线；
[0012]图4为修正参数随温度的变化规律图，b为拟合曲线；
[0013]图5为修正后的FIR与波尔兹曼分布率无偏差的示意图，“〇”为修正前的FIR，a为波尔兹曼分布曲线。
【具体实施方式】
[0014]【具体实施方式】一:本实施方式一种上转换荧光强度比测温技术的修正方法，是按以下步骤进行的:一、980nm 二极管激光发出的脉冲激发光经过凸透镜汇聚照射到稀土离子掺杂的感温材料上，稀土离子掺杂的感温材料所发射的上转换荧光通过另一凸透镜汇聚入射到计算机控制的光栅光谱仪中，其中计算机控制的光栅光谱仪采集的荧光光谱具有两个荧光发射峰，分别为稀土离子两个相邻且存在热耦合关系的能级到下能级辐射跃迀所产生的荧光发射峰，上能级A发射的荧光波长短于下能级B发射的波长；二、将计算机控制的光栅光谱仪连接存储示波器，存储示波器进行不同温度下荧光衰变曲线的测量，得到不同温度下的下能级B荧光衰变曲线和上能级A荧光衰变曲线；计算机进行数据处理，给出修正系数，修正后的荧光强度比为FIRC= FIR.(:?/((；+(；)，得到修正曲线；所述的上能级A为稀土离子两个相邻且存在热耦合关系的能级中的上能级；下能级B为稀土离子两个相邻且存在热耦合关系的能级中的下能级。
[0015]本实施方式中980nm 二极管激光发出的脉冲激发光经过凸透镜汇聚照射到感温材料上，感温材料所发射的上转换荧光通过凸透镜汇聚入射到光谱仪中，由光谱仪对所探测到的荧光进行光谱分析。分别测量来源于热耦合能级辐射跃迀的两个荧光峰的衰变曲线。由于下能级上转换荧光来源于镱离子的敏化作用，其归一化的荧光衰变曲线呈双e指数规律衰减山=C 01exp (-t/ τ J +C02exp (_t/ τ 2)，τ τ 2为拟合的寿命，C 01、C02为拟合权重系数。由于两个能级存在热耦合关系，上能级辐射强度12随时间t的衰变规律呈三e指数衰减:12(t) = C0exp(_t/ τ。)+C! [C01exp (_t/ τ 3)+C02exp (_t/ τ4)]，短寿命 τ 0为能级本征寿命，另外两个寿命与下能级荧光辐射寿命一致，C。、Q为拟合权重系数。固定τ 3 =τ4= τ 2，利用CM、Cff1、τ 3、τ 4对上能级上转换荧光的衰变曲线进行三e指数拟合，获得拟合参量C。和C 1<3 FIR的修正系数为C。/ (C0+Q，修正后的荧光强度比表示为FIRC =FIR.C0/ (C0+Q。此修正后上转换荧光的荧光强度比随温度的变化规律与玻尔兹曼分布律没有偏差。
[0016]本实施方式的修正方法消除了荧光强度比与玻尔兹曼分布律的偏差，在保持了荧光强度比方法抗干扰能力强、稳定性好、灵敏度高的优