熒光式光纖測溫的基本原理

根據熒光余暉壽命與溫度的函數關系制造的熒光法溫度測量裝置，具有傳統(tǒng)溫度測量方法無法比擬的優(yōu)勢。

熒光法測溫的基本原理

當某種物質受到激發(fā)時，如被波長較短的可見光或紫外光照射、電場激勵或化學反應等，會將能量吸收并儲存，通過基態(tài)躍遷至具有一定振動能級的激發(fā)態(tài)。 但該激發(fā)態(tài)并不穩(wěn)定，可能會恢復至平衡狀態(tài)，且當外界激發(fā)源停止作用后，發(fā)光現象會持續(xù)一段時間，該現象即為余暉。 此外，熒光物質的分子在去活化過程中，不穩(wěn)定的激化態(tài)分子會通過能級躍遷，從高能級回到低能級，且過剩的能量會以電磁輻射的形式發(fā)光。 因此根據激發(fā)方式的不同，可分為光致發(fā)光、電致發(fā)光、化學發(fā)光和生物發(fā)光等。

根據普朗克定律，當入射光的能量被發(fā)光材料接收時，會激發(fā)材料中的電子產生電子能級躍遷現象，且該過程中會產生波長為 λ 的出射光。 高能級與低能級的能量差的公式為：

Ｅ２ － Ｅ１ ＝ ｋ λ ｖ ＝ ｋｆ

式中：Ｅ１—電子在較低能級時的能量；

Ｅ２———電子在較高能級時的能量；

ｋ———普朗克常數；

ｖ———光在真空中的傳播速度；

ｆ———光的頻率；

λ———出射光的波長。

由于 Ｅ１ 、Ｅ２分別處于不同的能帶中，為某一波段的光，而分子中的能量包括電子能產生的旋轉能和核間軸彈性振動引起的振動能。 因此，當分子吸收光輻射時，經量子躍遷后，電子能會從基態(tài)升至較高的能級，且轉動能和振動能會同時發(fā)生變化，使三種能量相互作用。 其中，入射光消失后，發(fā)光材料會持續(xù)發(fā)光一段時間，該出射光即為熒光；而高頻短波的光能會激發(fā)出長波低頻的光，且服從斯托克斯定律。

熒光測量法的基本理論依據為：當熒光線狀光譜的強度與溫度呈現單調性，熒光物質的溫度決定光淬滅過程的時間時，即可進行熒光測溫。 因此，一般分為熒光強度測溫法、熒光壽命測溫法和激光誘導熒光法等。 其中，熒光壽命測溫法在溫度測量過程中不易受激勵光源強度、耦合程度和光纖傳輸效率的影響，具有更明顯的使用優(yōu)勢。 其測溫原理為：激勵光源移除后，熒光物質持續(xù)發(fā)射熒光的時間即為熒光壽命，取決于激發(fā)態(tài)的壽命。 在一定的溫度范圍內，熒光物質的熒光壽命長短與對應的溫度高低相關。 熒光壽命是指當激發(fā)光源被切斷后，熒光強度衰減至原強度的 １ ／ ｅ 經歷的時間，與溫度的關系可表示為：

τ（Ｔ） ＝１ ＋ｅ－ΔＥ／（ＫＴ）Ｒｓ＋ ＲＴｅ－ΔＥ／（ＫＴ）

式中：Ｒｓ、ＲＴ 、Ｋ、ΔＥ———常數；

Ｔ———熱力學溫度。

由此可知，熒光余暉衰變的時間常數與溫度為單值函數關系，且只與溫度有關。