荧光测温方法的测量误差与测量不确定度分析综述

介绍了荧光测温方法的基本原理及典型系统的组成,分析了荧光测温方法中的系统误差和随机误差的主要来源,并探讨了基于数学模型的测量不确定度评估方法,指出了在荧光测温装置的研究与应用中测量误差分析和测量不确定度评估的重要性。在测量误差分析方面,需要充分考虑装置内部参数及测量环境对荧光测温参数(如荧光寿命或荧光强度比)的影响,通过优化激发光源、荧光材料、检测器、数据采集和数据处理方案,并进行环境因素分析与校准,最大程度地降低系统误差,提高测温结果的准确性。此外,研究荧光材料发光特征随温度以外其他因素变化的物理机制,可以为开发更具适应性的荧光测温材料提供理论基础。在测量不确定度评估方面,基于荧光寿命和荧光强度比的温度测量不确定度可以通过数学模型进行描述,以温度测量不确定度为依据可指导高精度荧光测温系统的优化设计和应用。

微小荧光测温探头热响应过程非稳态传热特性分析

荧光测温是一种高灵敏度的光致光学测温方法,可用于测量温度动态变化。但荧光涂层低导热率的特点,可能会改变荧光涂覆物体(如测量探头)的非稳态传热特性,进而影响热响应过程的测量精度。针对微小荧光测温探头的热响应过程,该文采用理论分析和数值计算相结合的方法研究探头随主流流体温度变化的非稳态传热特性。研究结果表明,探头荧光涂层的热响应时间不仅受外表面对流换热条件的影响,同时受到探头基座导热热阻的影响。涂层温度达到稳定状态需要基座也基本达到稳定状态。当采用高导热材料时,探头内部基座的热响应速率随荧光涂层厚度的变化不明显。

(La_(0.88)Yb_(0.10)Ho_(0.02))_(2)W_(2)O_(9)荧光粉的上转换发光及双模式荧光测温

采用共沉淀法制备了Yb-Ho共掺的La_(2)W_(2)O_(9)纳米晶。采用X射线衍射(XRD),场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和荧光光谱(PL/PLE)对前驱体及产物进行表征。系统地研究了样品包括功率/温度依赖发射光谱、潜在上转换发光机制、主发射的衰减动力学、发光颜色等上转换发光特性及荧光测温性能。结果表明在不同功率980 nm光源激发下,(La_(0.88)Yb_(0.1)Ho_(0.02))_(2)W_(2)O_(9)荧光粉在654 nm出现最强发射峰,对应于Ho^(3+)离子的_(5)F_(5)→_(5)I_(8)跃迁。在298-548 K温度范围内的上转换发光性能研究表明所得荧光粉可通过荧光强度比模式(FIR)和荧光寿命模式(FL)实现双模式荧光测温。在980 nm光源激发下,所得荧光粉可基于Ho^(3+)的最强发射峰^(5)F_(5)→^(5)I_(8)(654 nm)与(^(5)F_(4),^(5)S_(2))→^(5)I_(8)(544 nm)和(^(5)F_(4),^(5)S_(2))→^(5)I_(7)(759 nm)两发射峰的荧光强度比(FIR)进行荧光测温。I_(654)/I_(759)荧光强度比模式测温最大绝对灵敏度(S_(A))及相对灵敏度(S_(R))分别为266×10^(-4)和3266×10^(-4)K^(-1),I_(654)/I_(544)荧光强度比模式测温的最大绝对灵敏度(S_(A))为81×10^(-4),最大相对灵敏度(S_(R))为3427×10^(-4)K^(-1)。随着温度的升高,所得荧光粉的发光颜色发生人眼可见的明显变化,从室温的绿色变为高温的橙红色。此外,本工作荧光粉可基于主发射峰的荧光寿命进行测温,在298-548 K范围内主发射峰荧光寿命与温度呈指数减小关系,通过FL模式测温S_(A)、S_(R)最大值分别为997×10^(-4)K^(-1)、1184×10^(-4)K^(-1)。

一种双通道小型荧光测温仪的设计与实现

荧光光纤温度传感器利用光纤技术的远距离传输,避开了恶劣的测温环境,相较传统有源测温设备的接触式测量,更适合在强电磁场、高压腐蚀等极端环境下的温度检测。针对传统的单通道电路读出结构易受外界干扰的弊端,本文设计了一种双通道的小型实用的荧光测温系统。整个测温系统分为光路设计、电路设计和程序设计3个部分。采用两路通道差分相减的创新思想,完全消除了直流分量且基本不含有随机噪声,从而得到了单一光滑的荧光衰减信号。最后通过标定实验,得到荧光寿命与温度之间的函数关系。实验结果表明,在10~130℃的温度范围内,标准温度偏差为0.5℃,基本满足强电磁场、高压腐蚀、微波热疗等一些恶劣环境下的测温需求。

适于大学物理实验教学的荧光测温方法的设计和性能分析

采用熔融淬火法成功制备了高发光效率的β-NaYF_(4):Dy^(3+)透明玻璃陶瓷,研究了掺杂贵金属Ag掺杂对β-NaYF_(4):Dy^(3+)玻璃陶瓷的发光光谱和光温传感性能的调控。355 nm激发下获得了发射峰的荧光强度、荧光强度比、光温灵敏度等参数随着温度的变化关系。该研究为大学物理实验教学过程中的测温提供了新的方法。

基于荧光测温技术的开关柜温度监测预警系统

发电厂用电系统中配置有大量的高低压开关柜,因安装质量或维护不到位常会导致开关柜断路器插接头、电缆连接头等部位的异常发热甚至烧损,导致严重的安全事故并造成一定的经济损失。荧光测温作为一种以光纤为传输介质的测温元件,具有安全、易部署的优点,本文以东西关水电站开关柜温度监测系统部署为例,介绍了如何利用荧光测温传感器组建一个基于物联网的开关柜温度监测预警系统。

基于荧光寿命与热辐射测温的30℃至800℃的光纤温度传感器

通过研究荧光型光纤温度传感和热辐射型光纤温度传感,该文设计了一种结合荧光寿命与热辐射测温的光纤温度传感器,适用温度为30~800℃。首先,改进了传统的荧光传感探针,采用石英玻璃棒代替光纤,可避免高温下光纤吸收和散射损耗导致的光传输效率下降。其次,利用耐高温的Y(P,V)O_(4):Eu^(3+)荧光材料进行中、低温段(低于400℃)的荧光寿命测温,获得材料荧光寿命与温度的关系;在中、高温段(高于300℃),使用光功率计测得1490 nm波长下光纤探针的热辐射功率与温度的关系,并拟合得到热辐射功率与温度的四阶表达式;然后,在两种测温方法都有效的温度重叠区(300~360℃),使用荧光寿命测温值标定热辐射的功率与温度关系式,确保高温段的测温精度;最后,将荧光寿命测温与热辐射测温相结合,实现30~800℃范围内的温度测量。

荧光光纤测温技术在电力设备中的应用

温度是电力设备运行中的重要参数。温度监测仪精确的监测、实时监控电器的温度,为社会的工业生产以及高技术水平的器械研发带来了新的进步。本文从热能到红外线温度、无线温度,光纤测量温度探索这些重要技术在电器中的实际应用,以及发展趋势,尝试为未来荧光光纤测温技术在电力设备中更为深远的发展提供一定的探索价值。

基于光纤荧光和小波变换的生物医疗测温系统

微波理疗是医学中常用的一种治疗手段 ,其中微波场下的测温技术一直是个难题。本文给出基于荧光寿命的测温方法 ,在对荧光测温机理和光纤技术进行理论分析的基础上 ,研究一定荧光材料在函数脉冲或方波脉冲激励下所呈现的光学特性与温度的确定或非确定关系 ,以及这一特性的温度相关性采用与调制荧光信号相关的双参考源相位锁定测量方案 ,实现荧光寿命在无激励光干扰情况下的实时测量。根据噪音和信号在小波变换下表现出的截然不同的性质 ,提出以小波变换为理论基础的温度信号特征提取及消噪方法 。

锁相环技术在荧光法测温中的应用

介绍了荧光测温的原理 ,推导荧光测温各个环节的数学表达式 ,说明锁相环测荧光寿命的原理 ,给出各点的信号分析图。推导荧光寿命与锁相环输出频率的数学关系 ,提出选择锁相环参数的方法并给出图象说明。进行系统的误差分析。

一种光纤荧光光谱测温方法的研究

基于光纤荧光的测温机理介绍了一种温度测量系统的构成。系统采用Cr3+:YAG晶体作为荧光材料,蓝色发光二极管激励光源。经光纤将荧光信号输出,输出频率被输入到单片机系统中,单片机计算出荧光寿命,进而得到目标温度值。该系统对温度的测量具有准确度高、抗电磁干扰、分辨率高等特点,并且可以结合相关计算机技术和数据采集单片机系统实现通讯控制,操作简单,可以及时测量并存储数据,提高了系统的智能化。利用该装置通过检测荧光物质寿命实现了高精度温度测量,其误差小于±5℃。

稀土掺杂热障涂层体系及其荧光效应研究现状与发展趋势

稀土掺杂热障涂层是指将稀土元素掺杂到热障涂层(ThermalBarrierCoatings,TBCs)陶瓷面层中,不仅可以在一定程度上改善热障涂层的隔热性能和力学性能,还可以赋予其荧光特性,利用其荧光特性可以实现温度测量、热历史追踪、无损检测等方面的应用,从而达到寿命预测的目的。重点围绕国内外稀土荧光效应在热障涂层中的研究和发展趋势进行了系统阐述,分别介绍了稀土掺杂热障涂层的结构以及荧光效应在时间效应和强度效应上的检测原理,分析了热障涂层稀土掺杂原理及其制备工艺,讨论了稀土元素的掺杂对热障涂层热力学性能以及抗CMAS(CaO、MgO、Al_(2)O_(3)、SiO_(2))腐蚀性的影响,阐述并分析了基于稀土荧光效应的热障涂层在荧光测温、热历史传感器和无损检测等方面的研究和应用,为后续基于稀土荧光效应的热障涂层研究和应用奠定了理论基础,最后对基于稀土荧光效应的热障涂层今后需要解决的问题和发展方向进行了展望。

荧光光纤测温机理及装置设计

文章以荧光光纤测温技术为基础,结合变电设备测温特点,研究并设计了基于荧光光纤的温度测温方案。基于稀土材料的荧光光纤测温技术,其温度信号与荧光传导光强无关,测量点与测量信号接收部分之间不需要电气连接,从根本上解决了在高电压、强电磁、易燃易爆等恶劣环境下测温的难题,成为变电设备测温的优选方案。

一种特高压直流电压测量装置内部温度的测量方法

多年来,测量高压电器中气体绝缘产品的内部温度一直是比较困难的。文中提出了一种采用荧光余辉光纤传光型温度传感器测量特高压直流电压测量装置内部温度的方法,该方法能够准确测量装置运行时的内部温度。文章重点阐述了该温度传感器选取、传感器埋设方式和布置以及具体的试验方法。该试验方法可以判断特高压直流电压测量装置内部温度的情况,同时也可为测量高压电器中气体绝缘产品的内部温度提供参考。

荧光光纤测温系统在500 kV自耦变压器中的应用研究

文章针对500 kV自耦调压变压器装设荧光光纤测温系统方案,分别从监测装置的准确性、光纤对变压器可靠性的影响、光纤及传感器安装工艺等方面进行了分析研究。从荧光材料的选择以及测温方式等方面分析了主变压器测温装置的准确性;通过进行光纤对电场的仿真实验表明,变压器内置光纤对其内部电场无影响;通过进行光纤与变压器油相容性实验表明变压器内置光纤与变压器油具有良好的相容性;通过对变压器本体结构分析,确定内部绕组、铁芯、油中光纤测温系统安装布置方式和数量,以及光纤引出变压器本体的具体方式和工艺要求。

Ce^(3+)掺杂对NaYF_(4)∶Yb^(3+),Tm^(3+)纳米粒子上转换发光性能的影响及其荧光温度特性应用

采用溶剂热法制备了一系列不同Ce^(3+)含量的Yb^(3+)/Tm^(3+)/Ce^(3+)共掺NaYF_(4)纳米粒子。样品在980 nm激光激发下,可以观察到强烈的上转换蓝色荧光。探究了不同Ce^(3+)含量对发光强度的影响,发现在Ce^(3+)含量从0%增加到0.5%的过程中,紫外到可见的上转换发光随着Ce^(3+)浓度的增加先增强后减弱,在0.2%时荧光达到最强,比不掺Ce^(3+)时荧光增强高达5倍左右,其中475 nm的蓝光更是增强了6倍。此外,对其机理进行了深入细致的探究,一方面,掺杂Ce^(3+)后,Tm^(3+)中的(^(3)F_(3),^(3)H_(4))与Ce^(3+)中的(^(2)F_(7/2),^(2)F_(5/2))发生交叉弛豫,有效地防止了电子跃迁回到基态,以致整体荧光明显增强;另一方面,当掺入Ce^(3+)后,形成的(Yb^(3+)-Yb^(3+)-Ce^(3+))Trimers把能量传递给^(1)G_(4)能级,发出475 nm的蓝光,导致蓝光很强。将其应用于荧光强度比测温,绝对灵敏度高达0.0350 K^(-1)。

高灵敏度下转换光学测温材料:NaGd（WO4）2:Yb3+/Er3+

基于Er^3+的两个热耦合能级发光强度测量的荧光强度比测温技术由于不受光谱损失和激发强度波动的影响,故能够提供准确的非接触式温度测量。但目前通用的荧光强度比技术都是基于上转换激发,而上转换材料效率较低,测温不准确。考虑到Er^3+能级可通过不同激发源来布居,本文利用高能光子激发的高效下转换光学测温方法,来解决上转换发光带来的问题,并以具有高测温灵敏度的钨酸盐NaGd(WO4)2为基质。研究发现,NaGd(WO4)2可成功用于下转换测温,Yb^3+/Er^3+共掺样品比Er^3+单掺拥有更高的测温灵敏度,且下转换测温灵敏度要高于上转换,在掺杂浓度为20%Yb^3+/1%Er^3+时,测温灵敏度高达344.6×10^-4 K^-1。这证明了NaGd(WO4)2:Yb^3+/Er^3+是理想的测温材料,也很好地验证了其在高灵敏度下转换测温的可行性,为荧光强度比技术的应用开辟了新的前景。

基于Voigt线型拟合的Bi^(3+)与Eu^(3+)共掺荧光材料光谱温度特性研究

针对稀土离子掺杂荧光材料在热结构材料表面温度监测的应用,开展Bi^(3+)和Eu^(3+)共掺荧光材料303~523 K范围紫外线激发380~800 nm波段荧光光谱测量。基于双线荧光光谱测温原理,研究Bi^(3+)(438 nm峰)和Eu^(3+)(590、623、705 nm峰)不同谱线荧光光谱双线强度比值与温度的关系,提出利用Voigt线型谱线拟合积分方法获得谱线积分强度值,无需精确选取分析波段,相比于直接累积积分方法,其光谱数据处理算法更具适用性。在此基础上,获得了Bi^(3+)和Eu^(3+)双线强度积分值比与温度的关系,为该共掺荧光材料温度传感应用提供基础数据。

发射机器件在线测温技术探讨

文章主要针对原有的发射机不具备关键元器件的温度检测功能,解决不受发射机高压、高温、高频、强磁场的环境影响且能够实时准确、可靠地在线监测器件温度的技术解决方案。基于此,本文将详细描述发射机荧光光纤在线测温技术,为提高发射机稳定性和综合维护水平奠定基础。

荧光余辉中非指数分量的数据处理算法分析

在高精度荧光型光纤测温系统中,由于多谱线发光、宽谱线发光等因素的存在,荧光材料发出的荧光余辉常常是一条类指数曲线,而传统的求解荧光寿命的算法如傅里叶变换、积分面积比值、最小二乘法等都无法消除非指数分量的影响。论文采用了Prony法进行多指数拟合可以减少非指数分量对测量的影响,并与前面三种数据处理方法之间进行了对比分析和仿真验证。结果表明,存在非指数分量时,Prony法具有很高的精度。