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熒光式光纖測溫的基本原理

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

熒光法測溫的基本原理

當某種物質(zhì)受到激發(fā)時(shí),如被波長(cháng)較短的可見(jiàn)光或紫外光照射、電場(chǎng)激勵或化學(xué)反應等,會(huì )將能量吸收并儲存,通過(guò)基態(tài)躍遷至具有一定振動(dòng)能級的激發(fā)態(tài)。 但該激發(fā)態(tài)并不穩定,可能會(huì )恢復至平衡狀態(tài),且當外界激發(fā)源停止作用后,發(fā)光現象會(huì )持續一段時(shí)間,該現象即為余暉。 此外,熒光物質(zhì)的分子在去活化過(guò)程中,不穩定的激化態(tài)分子會(huì )通過(guò)能級躍遷,從高能級回到低能級,且過(guò)剩的能量會(huì )以電磁輻射的形式發(fā)光。 因此根據激發(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。

根據普朗克定律,當入射光的能量被發(fā)光材料接收時(shí),會(huì )激發(fā)材料中的電子產(chǎn)生電子能級躍遷現象,且該過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生波長(cháng)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;

v———光在真空中的傳播速度;

f———光的頻率;

λ———出射光的波長(cháng)。

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)生的旋轉能和核間軸彈性振動(dòng)引起的振動(dòng)能。 因此,當分子吸收光輻射時(shí),經(jīng)量子躍遷后,電子能會(huì )從基態(tài)升至較高的能級,且轉動(dòng)能和振動(dòng)能會(huì )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(huì )持續發(fā)光一段時(shí)間,該出射光即為熒光;而高頻短波的光能會(huì )激發(fā)出長(cháng)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為:當熒光線(xiàn)狀光譜的強度與溫度呈現單調性,熒光物質(zhì)的溫度決定光淬滅過(guò)程的時(shí)間時(shí),即可進(jìn)行熒光測溫。 因此,一般分為熒光強度測溫法、熒光壽命測溫法和激光誘導熒光法等。 其中,熒光壽命測溫法在溫度測量過(guò)程中不易受激勵光源強度、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,熒光物質(zhì)的熒光壽命長(cháng)短與對應的溫度高低相關(guān)。 熒光壽命是指當激發(fā)光源被切斷后,熒光強度衰減至原強度的 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;

T———熱力學(xué)溫度。

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

關(guān)鍵詞:

光纖聯(lián)系