基于微波光子晶体的温度传感方法研究

针对基于电子技术的测温传感器灵敏度低、尺寸大和易受环境影响等缺陷,提出一种基于镜像型一维微波光子晶体模型的温度测量方法。利用传输矩阵法计算了一维缺陷微波光子晶体在不同环境温度条件下的带隙和缺陷峰频谱,建立了缺陷峰波长或缺陷峰偏波长移量与环境温度之间的关系;通过自由空间法测量缺陷峰波长在待测温度条件下的缺陷峰波长或其偏移量,则可以反演环境温度。结果表明,该温度测量方法具有较好的温度传感灵敏度和较大的温度测度范围,为设计微波传感器提供了一种新理论和实践案例。

La_(2)Ce_(2)O_(7):Ho^(3+)/Yb^(3)陶瓷的荧光温度传感性能研究

为研究La_(2)Ce_(2)O_(7):Ho^(3+)/Yb^(3+)陶瓷的荧光温度传感性能,采用高温固相反应法制备该材料,在La_(2)Ce_(2)O_(7)晶格中,使Ho^(3+)和Yb^(3+)都取代La^(3+)的位置,其中,Ho^(3+)离子浓度为0.05%at.%,Yb^(3+)离子浓度在10%~18%at.%范围内。在980 nm波长的激光激发下,检测到上转换(Up-conversion,UC)绿光的强度在550 nm处达到峰值,红光强度在666 nm处达到峰值。当Ho^(3+)和Yb^(3+)的掺杂浓度分别为0.05%at.%和14%at.%时,UC发射强度最强。研究了La_(2)Ce_(2)O_(7)∶Ho^(3+)/Yb^(3+)陶瓷在303~483 K温度范围内的温度传感性能,在303 K温度条件下得到最高绝对灵敏度(Sa)为0.0028 K^(-1),在303 K温度条件下得到最高相对灵敏度(Sr)为0.0054 K^(-1),表明La_(2)Ce_(2)O_(7)∶Ho^(3+)/Yb^(3+)陶瓷可以作为潜在的远程温度传感器候选材料。

基于Sagnac干涉计谐波游标效应的光纤温度传感器

提出一种基于双萨格奈克(Sagnac)干涉计谐波游标效应的光纤温度传感器,在该传感器中,传感干涉计中熊猫光纤的长度约为参考干涉计中熊猫光纤的整数倍。理论分析与实验结果表明,当游标放大倍率相同时,基于谐波游标效应和基于普通光学游标效应的双Sagnac干涉计具有相同的温度灵敏度,但谐波游标效应对应的熊猫光纤长度失谐量明显大于普通光学游标效应,且阶数越高对应的失谐量越大。由于失谐量越大,游标放大倍率越容易控制和实现,因此,从制备角度上讲,谐波游标效应明显优于普通光学游标效应。该研究可为后续光学游标效应的研究提供重要参考。

弹性导电复合纤维的制备及其应变与温度传感性能

为满足柔性可穿戴传感器的多功能传感需求,实现应变和温度传感具有重大的意义。采用湿法纺丝技术制备聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)/银纳米线(AgNWs)/聚氨酯(PU)弹性复合导电纤维,研究其拉伸应变传感性能和温度传感性能。结果表明:当AgNWs质量分数为20%,(PEDOT:PSS)与PU质量比为1∶3时,纤维热电性能达到最佳,电导率为47.4 S/cm,塞贝克系数为13.8μV/K,功率因数为902.7 nW/(m·K^(2)),此外,该弹性导电复合纤维具有良好的力学性能,断裂伸长率可达800%,能够检测0%~90%的应变范围,并在100次循环拉伸/回复下依旧保持良好稳定性;同时可将其作为温度传感器,快速检测人体与环境温度。

Lu^(3+)掺杂Na_(5)Y_(9)F_(32)∶Ho^(3+)/Yb^(3+)/Ce^(3+)单晶体的增强红色上转换发光与光学温度传感性能

采用密封的坩埚下降法技术生长了一系列Lu^(3+)(摩尔分数0、0.6%、1.2%、1.8%)掺杂Na_(5)Y_(9)F_(32)∶Ho^(3+)/Yb^(3+)/Ce^(3+)单晶体。在980 nm LD激发下,观察到单晶体的绿光543 nm(^(5)S_(2)/^(5)F_(4)→^(5)I_(8))、红光656 nm(^(5)F_(5)→^(5)I_(8))以及近红外750 nm(^(5)S_(2)/^(5)F4→^(5)I_(7))上转换发光。从上转换发光强度随激发光强度的变化情况,确定了543 nm、656 nm与750 nm的发光为双光子跃迁过程。研究了Lu^(3+)离子掺杂浓度对其发光强度与荧光寿命的影响情况,随着Lu^(3+)掺杂浓度从0增加到1.8%,单晶体中的656 nm红光逐步增强,543 nm绿光与750 nm近红外光随之减弱,红绿光强度比从0.01增加到了1.55,而543 nm荧光寿命从1.29 ms降低至0.99 ms。Lu^(3+)离子的掺入取代Y^(3+)晶格位,改变了单晶体的局域场环境,导致上转换发光强度的变化。基于随温度变化的上转换红光656 nm(^(5)F5→^(5)I8)与绿光543 nm(^(5)S_(2)/^(5)F4→^(5)I8)的发光强度变化,研究了1.8%Lu^(3+)掺杂Na_(5)Y_(9)F_(32)∶Ho^(3+)/Yb^(3+)/Ce^(3+)单晶体在298~448 K范围内的绝对灵敏度和相对灵敏度最大值分别为0.242%·K^(-1)和0.217%·K^(-1)。

高热稳定CaGdAlO_(4)∶Er^(3+)/Yb^(3+)荧光粉的上转换发光及其温度传感性能

获得具有良好热稳定性和发光性能的非接触式光学温度传感材料是目前的研究热点之一,本工作通过高温固相法制备了Er^(3+)/Yb^(3+)共掺CaGdAlO_(4)∶Er_(x),Yb_(0.10)(x=0.006、0.008、0.010、0.012、0.014)荧光粉,尺寸大小分布在0.6~4.2μm。在980 nm激光激发下,该荧光粉在500~700 nm发射谱由两个发射带组成,528和550 nm处两个较强的绿光发射带,归属于Er^(3+)的^(2)H_(11/2)→^(4)I_(15/2)、^(4)S_(3/2)→^(4)I_(15/2)能级跃迁,663 nm处较弱的红光发射带,归属于Er^(3+)的^(4)F_(9/2)→^(4)I_(15/2)能级跃迁。上转换发光强度最大组分为CaGdAlO_(4)∶Er_(0.010),Yb_(0.10)。300~573 K变温发射谱表明,基于荧光强度比FIR_(528/550)参数,温度传感绝对灵敏度S_(A)从44.4×10^(-4) K^(-1)(@300 K)先增大到52.0×10^(-4) K^(-1)(@445 K)随后减小到49.0×10^(-4) K^(-1)(@573 K)。相对灵敏度S_(R)则从0.95×10^(-2) K^(-1)(@300 K)单调减小到0.27×10^(-2) K^(-1)(@573 K)。冷热循环实验表明该材料的热重复性优于98%。结果表明,CaGdAlO_(4)∶Er_(0.010),Yb_(0.10)荧光粉在光学温度传感领域具有潜在的应用前景。

热敏型碳点作为温度传感材料的研究进展

高灵敏度的非接触式温度传感在活细胞及活体的生物分析、空气动力学研究、光电功能体系研究及食品货物包装涂层的温度监测等领域有着广泛的应用。荧光蛋白、有机化合物、碳点、金属纳米颗粒、稀土掺杂纳米颗粒和半导体量子点等已经被应用于温度传感器。其中碳点具有水溶性好、光稳定性高、生物相容性高、生物毒性小、制备方法简便、原材料来源丰富等优势,能克服传统金属量子点易猝灭、易团聚和对环境有害等缺点,逐渐成为其他温度传感器的替代品。本文梳理了热敏型碳点的制备方法、性能表现和应用领域,综述了其荧光变化规律和温度-荧光的线性关系,并分析总结了目前仍存在的问题及未来的发展趋势,为后续研究学者提供思考和学习的理论支撑。

氮掺杂碳量子点的制备及在细胞温度传感中的应用

该研究以生物质西红柿为碳源和氮源,通过微波法制备了氮自掺杂碳量子点(N-CQDs)。通过场发射透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)和荧光光度计等对其形貌、结构、稳定性、光电性能、温敏性及细胞毒性进行考察,并用于活细胞温度传感研究。实验结果表明,所制备的N-CQDs稳定性强,光电性能优异,对温度具有较强的敏感性。在25~65℃范围内,N-CQDs的荧光强度随着温度的升高而降低,两者呈良好的线性关系。N-CQDs能穿透4T1细胞的细胞膜,显示出低毒性和生物相容性,在4T1细胞中具有良好的温度传感性能。该N-CQDs在活细胞荧光温度传感领域具有较大的应用潜能,有望作为温敏型纳米荧光探针在细胞研究等生物医学领域得到广泛应用。

基于BaMgSiO_(4)氧空位缺陷发光的可视化荧光温度传感材料

温度是表征物理化学性质的最基本参数之一,精确的温度测量对于现代科学技术发展起着至关重要的作用。传统基于稀土离子热耦合能级对(TCLs)能量传递的荧光温度传感器因TCLs之间能量差的限制存在测温灵敏度低及信号区分困难等问题。为寻求更优的解决方案,本研究探索了氧空位缺陷发光在荧光温度传感器领域的应用前景。本文通过高温固相法合成了BaMgSiO_(4)陶瓷,由于在高温烧结过程中有少量Ba^(2+)和Mg^(2+)蒸发,陶瓷中会产生氧空位以保持材料电中性。这些氧空位所形成的缺陷能级在332 nm紫外光激发下,发射出372,400,527 nm三种波长的发射光。这三种发射光强度对温度有着不同的敏感性,使得其能够良好应用于荧光温度传感领域。其中,I372和I527组成的温度传感系统相对测温灵敏度在298 K时为2.90%·K^(-1),高于传统TCLs荧光温度传感器的测温灵敏度,突破了TCLs温度传感器的灵敏度天花板。另外,由于372 nm和527 nm波长相差较大,使得BaMgSiO_(4)陶瓷有着室温下绿光发射到458 K高温下蓝光发射的显著变化,实现了温度监控可视化。因此,BaMgSiO_(4)陶瓷因其独特的氧空位缺陷发光特性,为开发荧光温度传感器提供了一种高精度和可视化的新选择,为荧光温度探测技术提供了一条新思路。

基于光纤Fabry-Perot滤波的光纤激光温度传感系统

提出并设计了一种基于氢氟酸腐蚀技术制备光纤微腔的方法,并通过熔接4.5mm长的单模光纤构成全光纤(Fabry-Perot,F-P)多光束干涉滤波结构,其主干涉谱周期为20.7nm,次级干涉谱周期为1.4nm;在此基础上,以光纤F-P滤波器作为选频器件搭建了掺铒光纤激光系统,实现了中心波长1560.40nm,信噪比15.441dB,3dB线宽0.28nm的窄线宽激光输出。实验中通过温度加热平台分别对光纤F-P滤波器进行升温和降温实验,在360~430℃的温度实验范围内,升温过程中激光波长产生红移,传感系统的温度灵敏度为13.80pm/℃,线性拟合度为99.82%;降温过程中激光传感系统的温度灵敏度为13.36pm/℃,线性拟合度为99.44%。本研究为高精度高温传感提供了一种激光系统测量方法。

KYb_(2)F_(7):2%Er^(3+)荧光材料的制备、发光机制及温度传感性能

采用简易水热法制备了正交相KYb_(2)F_(7):2%Er^(3+)上转换荧光材料。利用X射线衍射仪和扫描电子显微镜确定所合成样品均为六角状纯相材料。在980 nm激光激发下,KYb_(2)F_(7):2%Er^(3+)荧光材料展现了位于527 nm和545 nm的两个绿光发射峰和位于655 nm处的红光发射峰,且上转换发光出现少见的以红光为主的现象。变温光谱结果表明,545 nm和655 nm处的发射强度随温度升高均呈现热猝灭。基于热耦合测温原理,对Er^(3+)的^(2)H_(11/2)→^(4)I_(11/2)和^(4)S_(3/2)→^(4)I1_(1/2)两个热耦合能级进行温度传感性能研究,计算了发光温度计的发光强度比(LIR)、绝对灵敏度(S_(a))、相对灵敏度(S_(r))、温度不确定度(δ_T)和可重复度(R),其中最大相对灵敏度在313 K时为0.99%·K^(-1),最小温度不确定度在313 K时为0.73 K,可重复度超过99%,确保了该温度计的可靠性。实验结果表明KYb_(2)F_(7):2%Er^(3+)荧光材料在温度传感方面具有潜在应用价值。

Li^(+)增强NaGd(WO_(4))_(2)∶Yb^(3+)/Er^(3+)荧光粉的上转换发光和温度传感性能

采用水热法制备了NaGd(WO_(4))_(2)∶0.05Yb^(3+)/0.005Er^(3+)/xLi^(+)(x=0,0.01,0.02,0.03,0.05)荧光粉。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和光致发光(PL)谱等手段分析了样品的晶体结构、形貌和上转换发光性能。结果表明,Li的掺杂并未改变NaGd(WO_(4))_(2)∶Yb^(3+)/Er^(3+)荧光粉的四方相晶体结构,但在波长980nm激光二极管(LD)激发下,样品的上转换发光强度发生明显改变。随着x的增加,Er^(3+)的绿光和红光发光强度均呈现先升高后降低的趋势,当x=0.03时,发光强度达到最大值。上转换发光强度与泵浦功率的依赖关系表明,绿光和红光发射都属于双光子吸收过程。此外,采用基于Er^(3+)热耦合能级的荧光强度比(FIR)测温技术,研究了+NaGd(WO_(4))_(2)∶0.05Yb^(3+)/0.005Er^(3+)/0.03Li^(+)荧光粉在298~573K温度范围内的温度传感性能。该结果表明NaGd(WO_(4))_(2)∶0.05Yb^(3+)/0.005Er^(3+)/0.03Li^(+)荧光粉相对灵敏度(SR)在298K时达到最大值0.0119K^(-1),表明其在光学温度传感领域具有潜在的应用价值。

基于TFBG边缘滤波的FBG温度传感器

为了提高系统的温度灵敏度,设计了一种基于倾斜光纤光栅(TFBG)边缘滤波的光纤布喇格光栅(FBG)温度传感器。该系统在常规的TFBG边缘滤波解调系统上引入一个光纤环形镜,将从TFBG透射的光信号反射回来,使其能再次通过TFBG,以增加TFBG透射谱的深度,并对传感光栅进行封装。实验结果表明:封装前和封装后的传感光栅在所测量的温度区间内中心波长的漂移量分别为0.55 nm和7 nm,封装后的漂移量扩大了十多倍;同时,由于TFBG边缘滤波解调传递函数的斜率得到提高,传感器波长解调后的温度灵敏度也得到了改善,是未级联光纤环形镜传感器的1.6~2.4倍。

室温驱动腐植酸钠基碳纳米簇用于荧光比色检测银离子和温度传感

基于氢键结合自组装策略,以富含羟基的高生物相容性煤源腐植酸钠大分子和抗坏血酸为原料,通过绿色经济的室温方法构建了一种低毒水溶性青色荧光碳纳米簇(HAN-CNCs).研究发现,在p H=5.0条件下,Ag^(+)可与HAN-CNCs表面的C=N/C=O基团配位结合,从而诱导HAN-CNCs发生荧光静态猝灭,实现对Ag^(+)较宽线性范围(5.0~300μmol/L)和较低检出限(27.5 nmol/L)的特异灵敏检测.进一步观察发现,Ag^(+)与HAN-CNCs相互作用后,HAN-CNCs在日光灯下由淡黄色变为灰蓝色,在紫外灯下由青色荧光变为蓝紫色,基于此,将HAN-CNCs制作成便携式纸基传感器,通过手机分析测试条颜色的G/B值,实现了Ag^(+)的视觉比色荧光检测.此外,HAN-CNCs在20~85℃范围内表现出优异的可逆热响应性能,有望作为一种温度传感器.荧光显微镜成像测试发现,HAN-CNCs在选择性检测活细胞中的Ag^(+)时表现出低生物毒性和优异的细胞渗透性,表明该传感系统可应用于评估人体潜在风险和健康安全.

Cr^(3+)掺杂Y_(3)Al_(5)O_(12)-Al_(2)O_(3)的光致发光和温度传感特性研究

为了开发具有高发光效率和高测温灵敏度的光学温度传感材料,采用高温固相法合成了一系列Cr^(3+)掺杂Y_(3)Al_(5)O_(12)-xAl_(2)O_(3)(x=0,0.5,1.25,2,2.75,3.5)固熔体。利用X射线衍射、扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱、稳态激发和发射光谱表征,详细研究了Y_(3)Al_(5)O_(12)中Al_(2)O_(3)的掺杂浓度对其结构和发光性能的影响。研究表明,提高Al_(2)O_(3)掺杂量可以增加固熔体中的八面体配位,同时削弱了晶体场强度,有利于Cr^(3+)的发光。在303~773 K温度范围内,利用该材料中Cr^(3+)荧光寿命以及热耦合能级荧光强度比的温度依赖特性进行测温研究,两种方法的相对测温灵敏度分别在500 K时达到最大值0.802%K^(-1),在303 K时达到最大值0.977%K^(-1)。除此之外,本文首次提出利用激光强度与荧光强度之比作为测温参数的比率型测温方法,在773 K时取得最大相对测温灵敏度为1.036%K^(-1)。上述研究结果表明,Cr^(3+)掺杂Y_(3)Al_(5)O_(12)-xAl_(2)O_(3)固熔体材料具有良好的光学温度传感特性,三种不同模式的测温方法为该材料在发光测温领域的应用提供了广阔的前景。

铜纳米簇聚集体的合成、发光与胞内温度传感

发光的金属纳米簇由于毒性小、成本低和生物相容性好等优势引起了人们的广泛关注,然而制备具有强发光的铜纳米簇聚集体是一个很大的挑战。以手性氨基酸D-青霉胺为原料,“一步法”合成了具有强发光的铜纳米簇聚集体,并通过红外光谱、热重分析、X-射线光电子能谱、X-射线衍射、质谱、扫描电镜、透射电镜、发光光谱和激光共聚焦显微镜表征技术对其进行了详细研究。结果表明:铜纳米簇聚集体的悬浊液和固体显示出很强的发光,绝对发光量子产率高达30.4%。而且,发光的铜纳米簇聚集体细胞毒性很低,可以在人肝癌细胞HepG2中实现胞内成像以及依赖于温度的胞内成像。铜纳米簇聚集体的发光行为在细胞成像方面的应用探索为人们在其它领域进行应用提供了重要参考。

基于光纤温度传感技术的压力管道泄漏检测

为了测试在管道内临时引入光缆进行泄漏检测的可行性,在管道泄漏检测中使用分布式温度传感技术,且光纤光缆被永久安装在管道的外护套或内护套上。文章在实验室中进行了检测和定位实验,在不同的测量条件下进行测量,包括泄漏的数量和光纤电缆的位置。实验表明,在适当选择测量分辨率、温度梯度和测量时间的情况下,该方法能够准确地检测泄漏。在实际系统应用中,管道系统在较长的距离内的温度梯度以及电缆在实际管道系统中的放置可能会带来挑战。研究结果对光纤温度传感器检测管道泄漏的可行性研究中提供了理论与技术支持。

硅氧酸盐稀土掺杂荧光粉在温度传感中的研究及应用

硅氧酸盐稀土掺杂荧光粉因其出色的温度敏感性和光学稳定性,在温度传感领域展示出广泛的应用潜力。主要探讨了这种荧光粉的基本结构与光学特性,分析了其在温度监测中的具体机制,并讨论了如何通过改变掺杂浓度、粒径大小和合成方法优化其传感性能。还探索了硅氧酸盐稀土掺杂荧光粉在半导体制造和生物医学领域的具体应用,特别是其在非侵入式温度成像技术中的应用,展示了其在实际工业和医疗应用中的巨大潜力。

光栅阵列温度传感系统在大型原油储罐火灾监测系统中的应用

目前大型外浮顶原油储罐在石油库中广泛使用,结合生产情况,存在“低概率、高风险”特点,一旦发生火灾事故后果是不可承受的。光纤温度传感技术能够对原油储罐开展实时在线温度监测,建立准确的火灾自动监测报警系统,有效预防和管控火灾风险。基于此,将光纤光栅测温技术与其他几种类型的感温火灾探测技术进行比较,论述新一代光栅阵列温度传感系统相对于传统光纤光栅测温系统的技术优势,对提升石油库原油储罐安全可靠运行具有重要的实践指导意义。

基于PTFE管封装的FBG的温度传感研究

基于光纤布拉格光栅(FBG)对温度的敏感特性,且自身体积小、抗电磁干扰等优势,作为温度传感元件被应用于测量精度高或测量环境较苛刻的场合。但FBG较为脆弱且温度灵敏度低,因此对其进行保护以及增敏封装才得以实际应用。本文提出选用热膨胀系数较大且耐低温的聚四氟乙烯(PTFE)材料对裸FBG进行管式封装,封装后的温度灵敏度达23.64 pm/℃,是裸FBG的2.5倍。该研究为光纤光栅在低温领域的传感提供了依据。Based on the advantages of Fiber Bragg Grating (FBG), such as its sensitivity to temperature, small size and anti-electromagnetic interference, it is used in situations with high measurement accuracy or harsh measurement environment as a temperature sensing element. However, FBG is fragile and has low-temperature sensitivity, so it can be applied in practice after being protected and sensitized. Therefore, this paper proposes to use Polytetrafluoroethylene (PTFE) material with large thermal expansion coefficient and low-temperature resistance to package bare FBG in tube. After packaging, the temperature sensitivity reaches 23.64 pm/˚C. The sensitivity is 2.5 times that of bare FBG. This study provides a basis for fiber grating sensing in low-temperature field.