[实用新型]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

说明书

本实用新型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，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，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。

技术领域

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²H_11/2、⁴S_3/2两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。