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《荧光光纤温度测量技术及应用》可供从事光电测量、温度检测及仪器仪表设计等方面的科研人员和工程技术人员阅读，也可供高等院校和相关专业的教师、研究生及高年级学生参考。
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| 目錄：
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1荧光光纤测温原理
1.1引言
1.2荧光产生机理
1.2.1发光类型
1.2.2光的吸收
1.2.3光的激发
1.2.4激发态分子的去活化
1.3荧光的基本特性
1.3.1荧光的激发光谱与发射光谱
1.3.2荧光寿命和荧光效率
1.4荧光材料及其光谱特性
1.4.1荧光材料的组成与分类
1.4.2荧光材料的光谱特性
1.5荧光的测温原理
1.6荧光光纤温度传感器的分类
2荧光寿命测温中的检测方法
2.1引言
2.2数据直接求解方法
2.2.1直接法
2.2.2两点法
2.2.3瞬态差值比较法
2.2.4积分法
2.2.5平衡积分法
2.2.6积分比值法
2.3以函数为基础的数据处理方法
2.3.1最小二乘拟合法
2.3.2傅里叶变换法
2.3.3Levenberg-Marquardt迭代法
2.4数据处理方法的仿真比较
2.4.1直流分量的影响
2.4.2随机误差的影响
2.5荧光寿命的锁相检测
2.5.1正弦调制的荧光寿命锁相检测
2.5.2方波调制的荧光寿命锁相检测
3荧光寿命测温中Prony法的应用
3.1引言
3.2荧光强度对荧光寿命的影响实验
3.3荧光余辉的指数变化规律测量
3.4荧光余辉的非指数变化机理
3.4.1多谱线发光
3.4.2连续谱线发光
3.5荧光余辉变化与光谱的关系
3.6荧光余辉非指数程度的量化
3.6.1荧光余辉曲线的截断归一化处理
3.6.2荧光余辉曲线的截断归一化分析
3.7Prony法在荧光寿命测温中的应用研究
3.7.1Prony法概述50 3.7.2Prony法在荧光寿命测量中的实现
3.7.3双指数荧光余辉中数据处理仿真比较
4荧光光纤温度测量系统
4.1引言
4.2荧光材料
4.2.1荧光材料的选择原则
4.2.2荧光材料的温度特性
4.3光纤传感探头
4.3.1光纤传感探头的分类
4.3.2典型荧光光纤探头
4.4黏合剂
4.4.1光学胶
4.4.2结构黏合剂
4.5荧光激励光源
4.5.1激励光源选择的基本要求
4.5.2半导体LED
4.5.3激光二极管
4.5.4汞灯
4.5.5氙灯
4.6光路耦合
4.6.1激励光源与光纤的耦合
4.6.2光纤与光纤的直接耦合
4.6.3光纤与荧光材料的耦合
4.6.4光纤与光探测器的耦合
4.7光电探测器
4.7.1光电二极管
4.7.2pin光电二极管
4.8接收器
4.8.1光探测器等效电路
4.8.2光电探测器的放大电路
4.9典型荧光测温系统结构
5荧光光纤测温技术在高压大电流测量中的应用
5.1引言
5.2电子式电流互感器的分类
5.2.1电磁式电流互感器的局限性
5.2.2电子式电流互感器的类型
5.3荧光测温式电流互感器方案
5.4荧光测温式电流互感器数学模型及分析
5.4.1电流-温度传感数学模型建立
5.4.2电流-温度传感数学模型仿真
5.4.3电流-温度传感分析
5.5测量系统高压端研究
5.5.1分流器的选择
5.5.2电热转换器研究
5.6测量系统低压端研究
5.7系统实验
6荧光光纤测温技术在微波环境及电力设备中的应用
6.1引言
6.2荧光光纤测温技术在微波热疗中的应用
6.2.1热疗的原理及其对测温的要求
6.2.2热疗技术中的测温方法
6.2.3设计重点及措施
6.3荧光光纤测温技术在高压开关柜中的应用
6.3.1测温系统工作原理
6.3.2测温系统性能参数及特点
6.3.3设计重点及措施
6.4荧光光纤测温技术在其他方面的应用
6.4.1荧光光纤测温技术在油浸变压器绕组上的应用
6.4.2荧光光纤测温技术在微波消解仪中的应用
参考文献
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| 內容試閱：
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1荧光光纤测温原理
1.1引言
荧光光纤温度传感器是以光纤技术为基础的新型温度传感器之一，它具有测温准确？分辨率高？动态响应好？抗电磁干扰性强等特点，特别适合于在强电磁场？高温？腐蚀？高压及有爆炸危险的恶劣环境下进行温度测量？一经问世，就受到人们的广泛重视，并迅速成为最活跃的研究和开发领域之一？
发达国家对荧光光纤温度传感器的研究起步较早？1982年报道了一个早期的商业化的系统Luxtron-1000模型？1984年，Bosselmann等报道了一种基于荧光余辉寿命的温度传感器，其探头为掺杂铬的晶体Lu（CrxAl1-x）3（BO3）4，连续测量的标准偏差为0.04K，温度范围为273~343K[1]？1985年，Grattan等报道了一种采用钕玻璃样品作为敏感材料的温度传感器，对荧光余辉寿命的变化进行检测[2]？1988年，Ghassemlooy等报道了两种基于荧光余辉寿命的温度传感器的探头形式，并进行了评估[3]？1995年，Grattan等又报道了一种以Y2O2S:Eu晶体为探头的光纤温度传感器[4]？通过测量荧光余辉寿命，在20~80℃，传感器测试显示了较好的重复性，在0.5℃以内温度测量的精确度很高，传感器可以实现实时测量？1996年，Babnik等提出了一种荧光光纤温度传感器探头[5]，当利用荧光余辉寿命测温时，探头具有非常高的采集效率，在20~90℃的温度范围内，精确度达到±0.3℃？1999年，Zhang等研究了掺杂铥的光纤作为温度传感器[6]，采用荧光余辉寿命技术，荧光余辉寿命单调地从373K的63μs降低到1523K的15μs，温度范围为323~1523K？2000年，Barmenkov等研究了一种基于CdSe纳米晶体掺杂的磷光玻璃温度传感器，在-20~120℃具有很好的温度线性响应[7]？2001年，Sharp等报道了应用上转换辐射的Er掺杂的蓝宝石光纤温度传感器[8]？2002年，Messias等报道了利用Er3+掺杂的硅-硅波导的全光学集成的上转换荧光基的点温传感系统[9]？2011年，Huria等提出一个由石英光纤掺杂Yb3+的荧光强度测温法，测温范围为25~250℃，采用380mW的980nm的光激励，系统灵敏度为0.0024mW℃[10]？
国内对这一领域的研究开始于20世纪80年代末期？天津大学的张立儒等对荧光光纤温度传感器进行了原理性研究[11]？随后刘英等对以红宝石为敏感材料的光纤温度传感器进行了一系列的研究[12-14]？浙江大学的张友俊等研究了掺钕钇铝石榴子石（Nd:YAG）单晶光纤荧光温度传感器的信号采集处理问题[15-19]，进行了荧光强度型温度传感器的原理性实验？沈永行？叶林华等研究了蓝宝石荧光光纤高温计[20，21]，把光纤荧光测温技术和光纤辐射测温技术结合起来，用单一光纤传感头实现了大范围的温度测量？在基于荧光寿命的温度检测方面，沈阳工业大学红外技术研究所和燕山大学王玉田教授的科研团队进行了大量的深入研究？沈阳工业大学红外技术研究所主要研究脉冲激励的荧光寿命检测方法，采用单光纤测温探头，提出了荧光非指数偏离程度的量化处理方法，在各种主流检测方法分析的基础上，提出了面积比法，引入了Prony多指数分析方法，并成功应用于肿瘤热疗？微波消解仪？电气设备温升等的测量中[22-32]？王玉田教授的科研团队主要研究荧光寿命的锁相检测技术，把快速傅里叶变换（fastFouriertransformation，FFT）？小波变换？希尔伯特变换等方法应用于荧光寿命的检测中，从而提高了系统测量精度和抑制噪声的能力[33-42]？另外，哈尔滨工程大学的孙伟民对荧光寿命的检测方法也进行了深入的研究[43-45]？荧光光纤测温法日臻成熟，近几年的研究重点为其在各领域中的应用？唐炬等研制了一种检测局部放电信号的荧光光纤传感系统，在模拟变压器油中局部放电试验平台上，通过与超高频法的比对，验证了系统的可行性[46]？张中蕾等完成了变电站内开关柜设备的温度监控系统设计，并应用于聊城110kV开发区站开关柜中[47]？宋伟等设计了一种中远距离非接触荧光测温系统，测量误差低于1℃[48]？
1.2荧光产生机理
当某种物质受到激发后，如光的照射？电子束轰击？化学反应或外加电场激励等，物质均会吸收并存储能量由基态进入激发态，但激发态并不稳定，总要回复到原先的平衡状态，在此过程中，一部分过剩能量会通过光或热的形式释放出来，若以可见光或近可见光的电磁波形式发射出来，则称此现象为发光？
发光现象有两个主要特征:一是任何物体在0K以上都会发生热辐射，发光是物体吸收外界能量后所发出的总辐射中超出热辐射的部分;二是当外界激发源对物体的作用停止后，发光现象还会持续一段时间，称为余辉[49]？
1.2.1发光类型
根据提供激发能的方式即激发方式不同，常见的发光类型有以下几种[50]？
1）光致发光
物体由光？紫外线？X射线等激发而引起自身的辐射称为光致发光？光致发光需要经过吸收？能量传递及光发射三个阶段，光的吸收及发射均发生在能级之间的跃迁，必须经过激发态，而能量传递则是由于激发态的运动？例如，由汞蒸气产生的紫外线激发荧光体，能高效地转变为可见光，这就是普遍应用的荧光灯？
2）电致发光
将电能直接转换成光能的现象称为电致发光？物质中的原子或离子受到被电场加速的高速电子的轰击，获得能量，由低能级跃迁到高能级，当由高能级回落到低能级时会发生辐射，这一过程就是电致发光？例如，霓虹灯和各种放电灯等就是利用气体或伴随气体放电而发光的？
3）化学发光
由化学反应提供能量引起的发光称为化学发光，即物质受到化学反应过程中释放的大量能量的激发而发光的过程？例如，黄磷因氧化而自然发光？
4）生物发光
在生物体内由于生命过程的变化，其相应的生化反应释放的能量激发发光物质所产生的发光称为生物发光？例如，萤火虫？发光细菌等的生物发光？
5）热发光
处于次稳定状态固定的能量，随着温度的上升而活化变成电子的激发能，进而再以光子的形式放出，此物理现象称为热发光？低温时辐射红外线，温度越高，短波长的辐射便越丰富，在1500℃时发出白炽光，其中相当多的是紫外线？
6）阴极射线发光
发光物质在电子束激发下所产生的发光称为阴极射线发光？在电子束激发时，电子所具有的能量是巨大的，这使得阴极射线发光的激发过程远比光致发光的过程复杂得多？电视机显像管的发光就属于阴极射线发光？
荧光的产生过程包括分子吸收光能？激发及去活化？
1.2.2光的吸收
各种物质的分子具有不同的结构，因而具有特殊的频率？当物质分子的频率与所照射的光线的频率一致时，则发生共振现象，此时与物质分子频率相同的光会被吸收而使得光强度减弱，这一现象称为物质对光的吸收[51]？
物质分子在吸收光的过程中发生了能量的转移，根据量子理论，原子？分子或离子具有不连续？数目有限的量子化能级，能级之间存在着能量差，只能吸收与两能级之差相同或为整数倍的能量？根据普朗克定律，当物体接收到某种形式的能量，最终都会产生电子在E0与E1两能级之间的跃迁过程，同时伴有波长为的光波发射，即
（1-1）
式中，为电子在较低能级的能量;为电子在较高能级的能量;为普朗克常量;为光的频率;为真空中的光束;为光的波长？
实际上与总是分别处于两条能带之中，因此观测到某一波段的光，而不是某一波长的光？分子的能量由原子中的电子产生的电子能，分子围绕它的重心旋转产生的转动能，以及原子沿着它们的核间轴作彼此间相对的弹性振动而产生的振动能组成？当一个分子吸收可见光辐射时，经过一个量子跃迁，它的电子能从基态升至较高的能级，但也发生转动能和振动能的变化，三种能量相互依存？相应的分子吸收光谱可分为电子光谱？转动光谱和振动光谱[52]？
1）电子光谱
分子吸收光子后使电子跃迁，产生电子能级的改变，其吸收光谱即为电子光谱？电子能级间的能量差一般为1~10eV，因此电子能级跃迁所产生的吸收光谱一般在可见光区和紫外光区？
2）转动光谱
纯粹的转动光谱只有分子转动能级的改变，没有振动和电子状态的改变？分子的转动能级差一般小于0.05eV，分子转动能级变化所产生的吸收光谱在远红外区甚至微波区？
3）振动光谱
振动光谱反映分子转动和振动能级的改变？分子吸收光子后产生振动能级的跃迁，振动能级改变时，伴有转动能级的改变，吸收峰加宽，谱线密集，显示出转动能级改变的微细结构，称为振转吸收？分子的振动能级差一般为0.05~1eV，由分子振动能级变化产生的吸收光谱在近红外区，主要在1~30μm的波长区？
各种物质具有不同的分子？原子及空间结构，具有的能级数目和能级差不一样，则物质吸收光能量的情况也不同，因此，各种物质都有其特定的吸收光谱？
1.2.3光的激发
物质在吸收入射光的过程中，光子的能量传递给了物质分子？分子被激发后，分子中的电子由原来的基态跃迁至激发态的不同振动能级，这一过程称为激发，处于这种激发态的分子称为电子激发态分子？
分子中同一轨道里所占据的两个电子必须具有相反的自旋方向，即自旋配对？假设分子中的全部电子都是自旋配对的，则电子自旋角动量量子数的代数和为零，此时该分子处于单重态，用S表示，如果分子吸收能量后电子跃迁中不发生自旋方向的改变，这时分子处于激发的单重态，大多数有机物分子的基态是处于单重态的？如果电子在跃迁的过程中自旋方向发生改变，分子便具有两个自旋不配对的电子，则电子自旋角动量量子数的代数和为1，此时该分子处于激发的三重态，用T表示？通常，无论是基态分子还是激发态分子，都具有单重态和多重态这两种状态？单重态的电子基态用S0表示，各级电子激发态分别用S1，S2， 表示？多重态的电子基态用T0表示，各级电子激发态分别用T1，T2， 表示？单重态的电子基态S0的分子被激发时，容易跃迁到单重态的各个电子激发态S1，S2， 而不容易跃迁到三重态的各级电子激发态T1，T2， 上？同样，多重态的电子基态T0受激发后容易跃迁到多重态的电子激发态T1，T2， 上？大多数分子在室温（25℃）处于基态的最低振动能级[53]？
1.2.4激发态分子的去活化
处于激发态的分子不稳定，可通过辐射跃迁和非辐射跃迁的去活化过程返回基态？辐射跃迁的过程伴随着光子的发射，即产生荧光或磷光;非辐射跃迁的去活化过程包括振动松弛（vibrationrelaxation，VR）？内转换（internalconversion，IC）和系间窜越（intersystemcrossing，ISC）？振动松弛是指分子将多余的振动能量传递给介质而降落到同一电子态的最低振动能级（V=0）的过程？内转换是指相同多重态的两个电子态间的非辐射跃迁过程，如S1→S0，T1→T0;系间窜越是指不同多重态的两个电子态间的非辐射跃迁过程，如S1→T1，T1→S0？图1-1为分子内所发生的激发过程以及辐射跃迁和非辐射跃迁的示意图[53]？
假如分子被激发到S2以上的某个电子激发态的不同振动能级上，处于这种激发态的分子很快发生振动松弛，释放多余能量而衰变到S2的最低振动能级（V=0），然后又通过内转化和振动松弛衰变到S1的最低振动能级（V=0）？
图1-1分子能级跃迁示意图
A1？A2:吸收;F:荧光;P:磷光;IC:内转换;ISC:系间窜越;VR:振动松弛
处于S1电子态的激发电子，其分子内的去活化能衰变到基态的途径有三种:
（1）S1→S0的辐射跃迁而发射荧光;
（2）S1→T1的系间窜越;
（3）S1→S0的内转化？
处于T1电子态的最低振动能级的激发电子，其分子内的去活化能衰变到基态的途径有两种:
（1）T1→S0的辐射跃迁而发射磷光;
（2）T1→S0的系间窜越？
激发单重态间的内转化速率很快（速率常数为1011~1013s），S2以上的激发单重态的寿命通常很短，因而在发生辐射跃迁之前便发生了非辐射跃迁而衰变到S1态？所以，所观察到的荧光现象通常是自S1态的最低振动能级的辐射跃迁？
综上所述，荧光物质发生荧光的过程可分为四个步骤[51]:
（1）处于基态最低振动能级的荧光物质分子受到紫外线的照射，吸收了和它所具有
……
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