本实用新型涉及温度传感技术领域，更具体地，涉及一种基于新型氧化钛基玻璃上转换发光性能的光学温度传感器。
背景技术：
温度是一个基本的热力学单位，在科学研究和生产实践中，准确测量物体的温度具有重要的意义。目前，温度传感器大多是通过金属温度计、热电偶、高温计和热敏电阻等与待测物直接接触的方式实现温度测量，然而，对于强磁场、射频、微波、大电流、易燃易爆、腐蚀性气体等特殊环境的温度测量，基于稀土离子上转换发光性能的光学温度测量不仅能够进行无接触式的温度监测，还能够实现宽范围、高精度的温度测量，是一种新型的温度测量方式，在发电站、炼油厂、煤矿、建筑火灾探测器、强磁装置、化工厂等领域具有十分良好的应用前景。
通过稀土上转换中两个发光波段的荧光强度比与温度的特有关系来进行温度的测量，减小了对测量环境的依赖，基本不受泵浦激光的功率波动和光路传播过程中如水汽、灰尘等的影响，能够显著提高测量的精度和抗击背景噪音的能力。在激发光源的泵浦下，稀土离子构成热耦合能级对的两能级在热平衡状态下的粒子数分布满足玻尔兹曼统计分布规律，即粒子数的分布与温度有一定的对应关系。
稀土离子的荧光发射强度与该能级上的粒子数成正比，因此，可建立热耦合能级的荧光强度比与温度的定量关系，这也是光学温度测量的理论基础。构成热耦合能级对的两个能级间距一般在200cm-1≤ΔE≤2000cm-1范围内。若ΔE过大，较低能级上的粒子不能很好地借助热能布居到高能级上，不利于实现热耦合，导致测温有误差；若ΔE过小，两能级发出的荧光谱带将产生严重的重叠，导致荧光强度比的计算偏离真实值，造成测温误差。又，Er3+离子不仅能级结构丰富、上转换发光性能良好，而且Er3+的2H11/2、4S3/2两个能级的间距比较近，约为780cm-1，ΔE值大小适中，能够构成一对良好的热耦合能级对。
传统的氧化物材料虽然物理化学性能稳定，但是声子能量普遍较高，上转换发光效率低下，影响光学温度测量的信号探测及测量精度。而新型重金属氧化物玻璃具有耐腐蚀、高机械强度、高熔点(大于1400℃)、低声子能量、折射率高(高达2.37)等优点，有利于获得优异的上转换发光性能和实用性能。这类重金属氧化物玻璃的出现，能够极大地推动上转换发光在光学温度测量领域中的应用。
此外，重金属氧化物熔体在冷却过程中，离子很容易重排析晶，传统的有容器方法很难制备块体重金属氧化物玻璃。为了解决这一技术难题，我们采用了一种新型的材料制备方法，即悬浮无容器技术。基于丰富的航天型号项目经历，在空间探索过程中，我们发现空间具有抑制熔体对流、避免沉降、消除器壁、解决材料的分凝问题等特点，是制备新材料的理想环境。研究表明，在神舟三号飞船上生长的硅酸铋单晶的表面质量、成分均匀性和缺陷密度要明显好于地面生长的晶体。为了在地面获得消除器壁效应，我们发展了悬浮无容器技术，这种技术在地面模拟了空间环境的无容器效应。无容器技术能够抑制异质形核、获得深过冷熔体、实现快速凝固、提高熔体均匀性，是制备常规有容器方法难以获得的新型玻璃材料的有效实验技术。
利用气悬浮无容器激光加热技术制备了新型Er3+/Yb3+共掺La2O3-TiO2-ZrO2玻璃，研究结果表明，玻璃不仅具有高折射率、优异的力学性能、热稳定性和耐腐蚀性，在980nm激光激发下，还能输出很强的上转换发光。此外，Er3+/Yb3+共掺La2O3-TiO2-ZrO2玻璃的上转换发光的荧光强度比与温度存在定量关系，能够开发成为光学温度传感器件。
基于此，本实用新型专利基于气悬浮无容器技术制备的Er3+/Yb3+共掺La2O3-TiO2-ZrO2重金属氧化物玻璃具有耐腐蚀、耐高温、机械强度优良、低声子能量等特点，提出利用稀土掺杂玻璃的荧光强度比与温度的定量关系，实现光学温度测量的器件化。荧光强度比与外界的电场、磁场、振动场等影响因素无关，与外界的温度成定量关系，这样可以避免基于电性能的温度测量设备容易受到电磁干扰的不利因素，还能够实现温度的无接触式测量。基于本实用新型专利，能够推动新型高效稀土掺杂重金属氧化物玻璃在高精度、宽范围光学温度测量领域中的应用，为大电流、强磁场、易燃易爆、强腐蚀等特殊环境的无接触式温度测量提供一种新的解决方案。
技术实现要素：
本实用新型是鉴于以上技术问题而形成的，目的在于提供一种基于新型氧化钛基玻璃上转换发光性能的光学温度传感器，基于新型氧化钛基玻璃的上转换发光性能，利用荧光强度比与温度的定量关系，可实现温度的高精度、宽范围、无接触式测量。由于荧光强度比不受外界环境中的电场、磁场、振动等因素的影响，能够对大电流、强磁场、强腐蚀等特殊环境中的温度进行高精度测量。
为了解决上述技术问题，本实用新型提供的光学温度传感器，包括：能够发射荧光并产生上转换光谱数据的荧光发射系统、用于探测上转换光谱的探测器、以及与所述探测器连接并能够采集和处理上所述转换光谱数据的计算机，所述荧光发射系统包括：发射规定激光的激光器、与所述激光器连接的光纤、一端与所述光纤连接的导管、与所述导管的另一端连接的爪形夹具、以及固定于所述爪形夹具中远离导管的另一端的玻璃体。
根据本实用新型，使用该光学温度传感器可实现复杂环境、极端条件下温度的无接触式测量，避免了电磁干扰对温度测量过程中的影响，实现了大范围、高精度的光学温度测量。本实用新型的光学温度传感器结构简单、设计新颖、操作方便，通过稀土离子上转换光谱中两个发光波段的荧光强度比与温度的定量关系来进行测温，减少了对测量环境的依赖，基本不受泵浦激光的功率波动和光路传播过程中的外界因素如水汽、灰尘等的影响，可以显著提高测量精度和信噪比。
又，基于电信号的测温方式常常受到强磁场、射频、微波、大电流等极端环境的干扰，无法获得准确的温度信息，作为一种新型的测温方式，基于荧光强度比的温度测量方式，基本不受这些极端环境的影响，还能够实现无接触式的温度测量。此外，玻璃良好的耐腐蚀性、力学和热学性能，有利于实现在腐蚀性气体、易燃易爆等环境中的温度测量。
本实用新型中，也可以是，所述激光器可发出970-985nm波长的连续激光，功率在0-5W连续可调，焦斑直径小于等于5mm，波长稳定性优于50nm。根据本实用新型，所述激光器可以激发出明显可探测到的发光强度。
本实用新型中，也可以是，所述光纤、所述导管以及所述爪形夹具分别通过安装片连接。根据本实用新型，使激发光路系统固定，不发生位移、变形等。
本实用新型中，也可以是，所述导管的内径为2-10mm，厚度为1-5mm，长度为20-300mm，两端固定有安装片。根据本实用新型，所述导管保护激发激光不受外界干扰，提高测试的稳定性。
本实用新型中，也可以是，所述玻璃体为Er3+/Yb3+共掺La2O3-TiO2-ZrO2玻璃，直径为1-8mm的圆片状，厚度为0.5-5mm。根据本实用新型，玻璃化转变温度大于700℃，在980nm激光激发下，能够发射可探测的可见光，为探测器提供易于探测的发光，最终提供温度信号。
本实用新型中，也可以是，所述玻璃体中Er3+离子的2H11/2和4S3/2态回到基态所发射的荧光峰，两个所述荧光峰的强度比与温度成定量关系。根据本实用新型，该关系可成为光学温度测量的依据，并不受外界条件的干扰。
本实用新型中，也可以是，所述爪形夹具为圆锥状，高度为5-50mm，顶端开口处固定有安装片。根据本实用新型，实现玻璃圆片和激发激光的连接。
本实用新型中，也可以是，所述爪形夹具的底端开口处的内径为0.5-10mm，其内形成有深度为0.5-5mm的圆形台阶。根据本实用新型，有利于玻璃圆片的固定。
本实用新型中，也可以是，所述探测器形成为可连接电缆的结构。根据本实用新型，可在特殊环境中使用，改善产品适用性。
本实用新型的光学温度传感器结构简单、设计新颖、操作方便，通过稀土离子上转换光谱中两个发光波段的荧光强度比与温度的定量关系来进行测温，减少了对测量环境的依赖，基本不受泵浦激光的功率波动和光路传播过程中的外界因素如水汽、灰尘等的影响，可以显著提高测量精度和信噪比，能够实现发电站、炼油厂、煤矿、火灾现场、强磁装置、化工厂等环境下的无接触式温度测量。
根据下述具体实施方式并参考附图，将更好地理解本实用新型的上述及其他目的、特征和优点。
附图说明
图1为根据本实用新型一实施形态的光学温度传感器的结构示意图；
符号说明：
100 光学温度传感器；
1 荧光发射系统；
2 探测器；
3 计算机；
4 线缆；
11 激光器；
12 光纤；
13 光纤头；
14 导管；
16 爪形夹具；
17 玻璃体；
18 金属细长带；
19a、19b、19c、19d 安装片。
具体实施方式
下面结合具体实施形态和附图来说明本实用新型的实质性特点和显著性的进步。应理解，这些实施形态仅用于对本实用新型进行进一步说明，不能理解为对本实用新型保护范围的限制。以下所示方向概念仅为方便说明，并非限定，具体实施时可根据需要变更。
为了解决现有技术中的技术问题，本实用新型提供一种基于新型氧化钛基玻璃上转换发光性能的光学温度传感器100，包括：能够发射荧光并产生上转换光谱数据的荧光发射系统1、用于探测上转换光谱的探测器2、以及与探测器2连接并能够采集和处理上转换光谱数据的计算机3，荧光发射系统1包括：发射规定激光的激光器11、与激光器11连接的光纤12、一端与光纤12连接的导管14、与导管14的另一端连接的爪形夹具16、以及与爪形夹具16另一端的连接的玻璃体17。
具体地，荧光发射系统1的激光器11例如可发出980nm波长的连续激光，功率在0-5W可调，焦斑直径小于等于5mm，波长稳定性优于50nm，与光纤12连接并通过位于光纤12的另一端的光纤头13出光，经由导管14后射在位于导管14另一端的玻璃体17上。
光纤12的长度和弯曲度应可任意调节，一端与激光器11连接，另一端固定有光纤头13，并在光纤头13出光一端固定有安装片19a，本实施形态中安装片19a为方形，且为金属材质，四角各开有一个用于插通螺栓的通孔(省略图示)，但安装片的形状、材质及连接方式等不限于此。
导管14的材质可以是铜、不锈钢、铝合金等材料，内径例如为2-10mm，厚度为1-5mm，长度为20-300mm，在导管14与光纤12连接的一端，固定有与光纤头13的安装片19a相匹配的安装片19b，对应地在四角各开有一个通孔(省略图示)。同样地，在导管14的另一端也固定有安装片19c，并在四角各开有一个通孔。
爪形夹具16例如可形成为高度为5-50mm的圆锥状，材质为铜、铝合金等材料，顶端开口处的内径与导管14的内径匹配，厚度与导管14大致相同，顶端开口处固定有安装片19d，并在四角各开有一个通孔。爪形夹具16在底端开口处的内径为0.5-10mm，在外径和内径之间有一个圆形台阶，台阶的直径与玻璃体17的直径大体一致，台阶的深度为0.5-5mm，比玻璃体17的厚度略小。但本实用新型不限于此。
在爪形夹具16底端开口处的圆周上，焊接有两根易于变形的金属细长带18。金属细长带18之间大致成90°夹角，例如，金属细长带18的长度为5-40mm，厚度为0.1-3mm，宽度为1-8mm，其材质可以是铜、铝、锡、银、金等耐高温、延展性好的材料。将后述的玻璃体17放入圆形台阶内，将金属细长带18弯折，然后将金属细长带18的另一端焊接在爪形夹具16上，从而对玻璃体17形成一个X形的束缚结构。
光纤头13、导管14和爪形夹具16通过安装片19a、19b、19c、19d紧固在一起。具体地，通过螺栓分别插通形成于安装片19a、19b、19c、19d四角上的通孔，安装片19a与安装片19b对接并重合后，通过四根螺栓四角固定成一体，安装片19c与安装片19d对接并重合后，通过四根螺栓四角固定成一体。但固定连接方式不限于此，可根据情况具体变更。
本实施形态中，可通过更改导管14的长度和调节激光的焦距来进行调节，使玻璃体17距离光纤头13的距离正好是激光器11的焦距。将光纤头13放入导管14中，使光纤头13和导管14两者的安装片19a、19b重合，调节激光的焦距，使焦斑落在玻璃体17上。
本实施形态中，玻璃体17例如可为Er3+/Yb3+共掺La2O3-TiO2-ZrO2玻璃，形成为圆片状，直径为1-8mm，厚度为0.5-5mm，玻璃的热稳定性能良好，玻璃化转变温度大于700℃。Er3+/Yb3+共掺La2O3-TiO2-ZrO2玻璃是通过气悬浮无容器激光加热技术制备的特殊材料，该玻璃不仅耐腐蚀、耐高温、机械强度优良、声子能量低，还具有优异的上转换发光性能。Er3+离子的热耦合能级对的荧光强度比与温度具有稳定的定量关系，通过探测玻璃体17的上转换荧光光谱，获得荧光强度比，就可以实现温度的测量。但本实用新型不限于此。
本实施形态中，探测器2形成为小型化，可由光电倍增管组成，例如可设计成可与线缆4连接的结构，便于在特殊环境中使用。探测器2与计算机3连接，并可探测到上述玻璃体17发出的上转换荧光光谱，随后将探测到上转换荧光光谱输入至计算机3中。计算机3中装载有专用软件，该软件不仅负责上转换荧光光谱数据的采集，还能自动计算得到Er3+离子2H11/2和4S3/2能级所对应的荧光强度比，再根据荧光强度比与温度的定量关系式，软件可自动计算出相应的温度，最终给出特定上转换荧光光谱所对应的测试环境温度，实现温度的无接触式测量。
以下进一步说明Er3+离子2H11/2和4S3/2能级所对应的荧光强度比与温度的定量关系式。本实施形态中，在980nm激光的激发下，玻璃体17能够发射出探测器2易于收集到的光谱信号，所得到的上转换荧光光谱能够明显区分Er3+离子的2H11/2和4S3/2态回到基态所发射的荧光峰，确保这两个荧光峰不发生大范围的重叠。
一般来说，2H11/2和4S3/2态回到基态所发射的荧光峰的中心位置分别位于545nm和530nm。在玻璃体17进行器件化之前，需要对玻璃体17的荧光温度特性进行详细的研究和分析。在980nm激光泵浦下，Er3+离子基态能级上的离子吸收激发光后跃迁到2H11/2和4S3/2能级上，在热平衡状态下，2H11/2和4S3/2能级上的粒子数分布满足玻尔兹曼统计分布规律，粒子数的分布与温度具有一定的对应关系。
稀土热耦合能级对的上转换发光强度与该能级上的粒子数成正比，据此，可以建立两个能级所发的荧光强度与温度的关系，最终可得到荧光强度比与温度的定量关系式，即热耦合能级2H11/2/4S3/2的荧光强度比可表示为下式(1)：
式中，Iij表示从i能级跃迁到j能级的荧光强度，ωij表示辐射所对应的角频率，Aij表示i能级到j能级的自发辐射跃迁几率，gi表示i能级的简并度，ΔE为能级差，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。
在作为独立于本实用新型的测试仪器的荧光光谱测试系统中添加精密加热和控温部件，实现在不同环境温度下荧光光谱的测试，获得不同测试温度下的上转换荧光光谱，从而计算Er3+离子的2H11/2态和4S3/2态回到基态所发射的荧光强度比。按照式(1)，将荧光强度比与测试温度进行拟合，计算相关系数，验证拟合曲线与实验结果的相符性，确定荧光强度比与温度的定量关系式。
又，对荧光强度比公式进行求导，得到测温灵敏性的关系式为下式(2)：
根据式(2)可得到玻璃体17的测温灵敏性与温度的拟合曲线和定量关系式，从而可以得到测温灵敏性随温度的变化关系，据此可确定玻璃体17实现高精度测温的温度范围，由此，可为玻璃体17实现宽范围、高精度的温度测量提供可靠依据。
本实用新型的光学温度传感器结构简单、设计新颖、操作方便，通过稀土离子上转换光谱中两个发光波段的荧光强度比与温度的定量关系来进行测温，减少了对测量环境的依赖，基本不受泵浦激光的功率波动和光路传播过程中的外界因素如水汽、灰尘等的影响，可以显著提高测量精度和信噪比。基于电信号的测温方式常常受到强磁场、射频、微波、大电流等极端环境的干扰，无法获得准确的温度信息，作为一种新型的测温方式，基于荧光强度比的温度测量方式，基本不受这些极端环境的影响，还能够实现无接触式的温度测量。
更为值得注意的是，通过采用气悬浮无容器激光加热技术，制备了传统方法无法获得的新型稀土掺杂氧化钛基玻璃，这类玻璃具有很强的耐腐蚀性能、高机械强度、高熔点、低声子能量、高折射率等优点，能够获得很强的上转换发光性能，从而发射出明显的荧光强度比信号，最终给出高精度的测温数据。
此外，玻璃良好的耐腐蚀性、力学和热学性能，有利于实现在腐蚀性气体、易燃易爆等环境中的温度测量。氧化钛基材料的玻璃化转变温度高于700℃，因此，该类温度传感器可实现0-700℃的宽范围、高精度的温度测量。通过本实用新型，发电站、炼油厂、煤矿、火灾现场、强磁装置、化工厂等环境下的无接触式温度测量有望得到实现。
(实施例)
现结合附图和具体的实施例来进一步详细说明根据本实用新型的上述X射线三维透视系统样品的夹具100。
已知，980nm激光器11的功率在0-3W之间连续可调，焦距可调，焦斑直径为2mm，波长稳定性优于10nm，光纤12长度为1m。在靠近光纤头13的位置，固定有铜质安装片19a，形状是边长为20mm的正方形，厚度为2mm，四角各开有一个与M3螺丝匹配的通孔。
导管14的长度为50mm，内径为5mm，厚度为2mm，材质为铜。在导管14两端，都固定有铜质的安装片19b、19c，形状是边长为20mm的正方形，厚度为2mm，在四角各开有一个与M3螺丝匹配的通孔。
玻璃体17为Er3+/Yb3+共掺La2O3-TiO2-ZrO2玻璃圆片，厚度为1.5mm，直径为3mm。爪形夹具16为圆锥状，材质为铜，厚度为2mm，爪形夹具16顶端开口处的内径为5mm，顶端固定有与导管14相同的铜质的安装片19d，爪形夹具16的高度为15mm，底端开口处内径为2mm，在底端向内开一个圆形台阶，台阶的宽度为0.5mm，台阶的深度为1mm。
在爪形夹具16底端圆周处，焊接有两根夹角为90°的银质金属细长带18，银质金属细长带18的长度为10mm，厚度为0.3mm，宽度为3mm。将玻璃体17装进爪形夹具16底端的圆形台阶内，两根银质金属细长带18分别向对角弯折，银质金属细长带18的另一端也焊接在爪形夹具16底端的圆周上，从而对玻璃体17起到了很好的固定作用。
将光纤头13放入导管14中，使光纤头13和导管14两者的安装片19a、19b重合，调节激光的焦距，使焦斑落在玻璃体17上。在安装片19a、19b的四角各上一个M3螺丝以固定。导管14的另一端与爪形夹具16对接，两个安装片19c、19d重合，并在四角上各紧固一个M3螺丝。
探测器2通过线缆4与计算机3连接，进行荧光光谱数据的采集。通过计算机3计算Er3+离子2H11/2和4S3/2能级所对应的荧光强度比，并根据荧光强度比与温度的定量关系，给出测试的环境温度，从而实现温度的无接触式测量。
工业应用：
本实用新型能够促进新型高效稀土掺杂氧化钛基玻璃在高精度、宽范围的光学温度测量领域中的应用。
在不脱离本实用新型的基本特征的宗旨下，本实用新型可体现为多种形式，因此本实用新型中的实施形态是用于说明而非限制，由于本实用新型的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书。