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光纤荧光温度传感器理论和实验研究

作　者: 胡春海
导　师: 王玉田
学　校: 燕山大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 光纤传感器荧光温度测量稀土微弱信号检测
分类号: TP212
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

温度检测不论在科学上还是在工程技术上一直是一个重要的研究领域。工业工程、生物医学监测和环境调节系统等依靠精确可靠的温度信息以保证系统有效、可靠地运行。特别在一些难以接近或恶劣的环境，如射频辐射或其它电磁噪声干扰环境下，需要光学传感器进行温度测量，这其中就包括光纤荧光温度传感器，光纤荧光温度传感系统是这个领域的前沿课题。本研究以寻求新的荧光温度敏感材料，满足不同的应用条件，提高系统的可靠性和灵敏度为目标。系统以发光二极管作为激发光源，在系统的组态、控制方式、寿命上比传统的方法具有诸多优点。配以光纤技术构成的光纤荧光温度传感器，测量方式可以是接触式，也可以是非接触式，实现温度的在线检测。本文主要进行了如下的研究工作：（1）基于电子跃迁理论论述了荧光材料作为温度敏感介质的机理，介绍了固体激光晶体、稀土化合物和稀土离子掺杂的光纤的温度敏感特性，实验研究了稀土化合物用可见光波段的激励光激发荧光的性能；通过对了几种光源特性的比较，确定以LED作为激励光源。（2）由于荧光较弱，以及光纤、透镜、滤光片的损耗，对系统的光学配置方式及组合进行了研究，设计了高荧光收集效率的探头形式。（3）在时域和频域上进行了微弱荧光信号的寿命检测的研究。在频域上给出了激发光和荧光以及与温度相关两种实施方案的数学模型，对于激励光和荧光混杂的情况，确定光源的调制频率和系统采样频率的选择原则。在时域上，对荧光寿命的相敏检测技术进行了研究，提出了一种基于希尔伯特变换的相敏检测方法，建立了检测方法的数学模型，该方法省去了低通滤波器，并且对激励光泄漏有一定的抑制作用。由于激励光采用正弦波驱动，产生的荧光也是一个正弦信号，周期与激励光相同，但在相位上滞后于激励光，采用激励光和荧光互相关和混沌理论相结合的方法，对符合正弦规律的微弱的荧光信号进行检测，提高了系统的信噪比。研究了多荧光信号组合的检测原理方法，采用PRONY代数方法，不经过迭代可分解出组合曲线中的多个荧光寿命。（4）设计了一种基于LED光源的荧光温度检测系统，给出了各个环节的传递模型和噪声模型。为了提高检测电路的分辨率，设计了一种双锁相环电路，分析论述了其电路工作原理。由微控器控制整个系统的运行。（5）对光纤荧光温度传感系统进行了实验研究，包括几种荧光材料的吸收谱和发射谱，LED<WP=5>的光谱特性，双锁相环电路的测试以及温度和荧光寿命的对应关系的实验等。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-15
第一章绪论  15-30
  1.1 引言  15
  1.2 光纤温度传感器的发展概况  15-17
    1.2.1 光纤温度传感器的特点  15-16
    1.2.2 光纤温度传感器的分类  16-17
  1.3 光纤荧光温度传感器的分类  17-21
    1.3.1 光纤荧光强度型温度传感器  17-19
    1.3.2 光纤荧光强度比型温度传感器  19-21
    1.3.3 光纤荧光寿命型温度传感器  21
  1.4 光纤荧光温度传感器发展现状  21-29
    1.4.1 光纤荧光强度型温度传感器发展现状  21-22
    1.4.2 光纤荧光强度比型温度传感器发展现状  22-23
    1.4.3 光纤荧光寿命型温度传感器发展现状  23-29
  1.5 课题研究的目的和意义  29
  1.6 课题来源和主要研究内容  29-30
第2章光纤荧光温度传感机理及特性分析  30-55
  2.1 引言  30
  2.2 荧光或磷光的产生机理  30-32
  2.3 固态激光材料的敏感机理  32-39
    2.3.1 Cr3+离子的光谱  33-34
    2.3.2 低场强晶体中Cr3+的荧光  34-36
    2.3.3 高场强晶体的荧光  36-39
  2.4 稀土材料的温度敏感机理  39-41
    2.4.1 稀土材料的温度敏感机理  39-41
    2.4.2 稀土离子掺杂光纤的温度敏感机理  41
  2.5 上转换荧光产生机理  41-43
  2.6 荧光的激发光源  43-46
    2.6.1 发光二极管  43-44
    2.6.2 半导体激光器  44
    2.6.3 氙灯  44-46
  2.7 光探测器件  46-49
    2.7.1 PN和PIN光探测器的工作原理  46
    2.7.2 光探测器的特性参数  46-48
    2.7.3 光探测器等效电路  48-49
  2.8 光纤的传输特性  49-50
    2.8.1 光纤的损耗特性  49
    2.8.2 光纤的色散特性  49-50
  2.9 光纤与传感器的耦合  50-51
    2.9.1 光纤与光源和探测器的耦合  50-51
    2.9.2 光纤与敏感介质的耦合  51
  2.10 光电信号检测与变换  51-54
    2.10.1 光电信号的相关检测  51-54
    2.10.2 光电信号的锁相检测  54
  2.11 本章小结  54-55
第3章荧光寿命的检测方法  55-69
  3.1 引言  55
  3.2 荧光寿命的脉冲测量  55-57
    3.2.1 时间常数的测量  55-56
    3.2.2 积分的方法  56-57
    3.2.3 数字曲线拟合方法  57
  3.3 荧光寿命的相位和调制测量  57-58
  3.4 荧光寿命的相位锁定测量  58-60
    3.4.1 振荡器测量方法  59
    3.4.2 荧光寿命单参考源相位锁定测量  59
    3.4.3 荧光寿命双参考源相位锁定测量  59-60
  3.5 基于希尔伯特变换的荧光寿命的相敏检测  60-63
    3.5.1 希尔伯特变换  60-61
    3.5.2 不带激励光泄漏噪声的希尔伯特相敏检测  61
    3.5.3 带激励光泄漏噪声的希尔伯特相敏检测  61-63
  3.6 荧光信号的频域处理技术  63-64
    3.6.1 荧光和激励光混杂方式  63-64
    3.6.2 激励光结束方式  64
  3.7 基于互相关和混沌理论的荧光信号的检测  64-66
    3.7.1 混沌理论检测弱信号的方法  64-65
    3.7.2 互相关检测与混沌理论相结合的荧光信号的检测  65-66
    3.7.3 仿真实验  66
  3.8 多荧光寿命的检测  66-68
    3.8.1 二点温度的测量  66-67
    3.8.2 多荧光衰落曲线的检测  67-68
  3.9 本章小结  68-69
第4章基于LED的光纤荧光温度传感系统设计  69-86
  4.1 引言  69
  4.2 敏感材料吸收、发射光谱和激励光源的确定  69-70
  4.3 系统的总体框图  70
  4.4 光源驱动电路的设计  70-71
  4.5 探头的设计  71-72
  4.6 微弱荧光信号检测电路的设计  72-79
    4.6.1 前置放大电路的设计  72-75
    4.6.2 前置放大器的噪声分析  75-77
    4.6.3 滤波电路的设计  77-79
  4.7 过零检测和相敏检测电路的设计  79-80
  4.8 占空比检测电路的设计  80-83
    4.8.1 基本方法  80-81
    4.8.2 积累的方法  81
    4.8.3 仿游标卡尺(双锁相环)电路的设计  81-83
  4.9 单片机处理系统设计  83-85
    4.9.1 硬件电路设计  83-84
    4.9.2 软件的设计  84-85
  4.10 本章小结  85-86
第5章光纤荧光温度传感系统的实验研究  86-106
  5.1 引言  86
  5.2 敏感材料的光谱实验  86-100
  5.3 LED光谱特性测试  100
  5.4 探头的结构实验  100-101
  5.5 双锁相环电路的测试  101-103
  5.6 温度测试实验  103-104
  5.7 本章小结  104-106
结论  106-108
参考文献  108-116
攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果  116-117
致谢  117-118
作者简介  118

光纤荧光温度传感器理论和实验研究

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