基于荧光寿命型与热辐射型光纤温度传感器的测温装置.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115855305A(43)申请公布日2023.03.28(21)申请号202211622816.9(22)申请日2022.12.16(71)申请人福州大学地址350108福建省福州市闽侯县福州大学城乌龙江北大道2号福州大学(72)发明人许灿华周田郑代福黄衍堂曾志平(74)专利代理机构福州元创专利商标代理有限公司35100专利代理师陈鼎桂蔡学俊(51)Int.Cl.G01K11/32(2021.01)G01J5/00(2022.01)权利要求书2页说明书5页附图2页(54)发明名称基于荧光寿命型与热辐射型光纤温度传感器的测温装置(57)摘要本发明涉及一种基于荧光寿命型与热辐射型光纤温度传感器的测温装置，包括光探头、荧光寿命测温模块、光功率计和数据处理单元；所述光探头通过耐高温传输光纤与荧光寿命测温模块、光功率计分别连接；所述数据处理单元与荧光寿命测温模块、光功率计分别连接。本发明克服荧光寿命型光纤传感器由于高温下的荧光淬灭只能运用于低温段测温的问题，以及辐射型光纤温度传感器在低温段辐射信号弱、环境因素影响大、无法准确测温的问题，解决冶金等行业的实时温度监测问题，实现当前中频冶炼炉、铝冶炼过程和电解过程的实时温度监测需要。CN115855305ACN115855305A权利要求书1/2页1.一种基于荧光寿命型与热辐射型光纤温度传感器的测温装置，其特征在于，包括光探头、荧光寿命测温模块、光功率计和数据处理单元；所述光探头通过耐高温传输光纤与荧光寿命测温模块、光功率计分别连接；所述数据处理单元与荧光寿命测温模块、光功率计分别连接。2.根据权利要求1所述的基于荧光寿命型与热辐射型光纤温度传感器的测温装置，其特征在于，所述光探头包括荧光材料、石英棒、陶瓷管、传输光纤和耐高温胶；所述陶瓷管底部设置有荧光粉末；所述石英棒的两端切平、研磨、抛光，插入陶瓷管内，一端与荧光粉末充分接触，另一端与光纤对接，并通过耐高温胶将石英棒与陶瓷管粘连。3.根据权利要求2所述的基于荧光寿命型与热辐射型光纤温度传感器的测温装置，其特征在于，所述陶瓷管外部涂有一层耐高温型黑色耐高温胶薄层。4.一种基于权利要求2所述基于荧光寿命型与热辐射型光纤温度传感器的测温装置的测温方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：对荧光材料进行加工，制成光探头；步骤S2：在低温制冷机和高温油浴锅中进行荧光寿命与温度关系的确定；步骤S3：根据荧光寿命确定的温度进行低温段的测温；步骤S4：利用荧光寿命测温与热辐射功率测温的测温重叠区内的荧光测温值，并对热辐射功率与温度关系式的常数项进行确定；步骤S5：根据确定后的热辐射功率与温度之间的四阶多项式进行高温段的测温。5.根据权利要求4所述的测温方法，其特征在于，所述荧光寿命与温度关系的确定，具体如下：设荧光团被δ函数光脉冲激发，在激发态下的荧光团的初始激发态粒子数为n0，激发态粒子数的衰减速率为Γ+knr，故而有：其中Г表示发射速率，表示knr为非辐射衰减速率；激发态上面的粒子数变化为指数衰减：n(t)＝n0exp(‑τ/t)(2)其中，可观测的荧光强度与n(t)成正比；因此公式(1)用依赖时间的荧光强度I(t)来表示，得到单指数衰减的激发态粒子数表达式：I(t)＝I0exp(‑τ/t)(3)其中I0是时间为0时的强度，寿命τ是总衰减速率的倒数，即τ＝1/(Γ+knr)荧光材料受激励后发出荧光，其强度随着时间的衰减规律：其中，I为t时的荧光强度；I0为荧光材料被激发后的初始荧光强度；荧光强度以指数函数的形式降低，τ称为荧光寿命，指的是材料的荧光强度从I0衰减I0/e到所需要的时间。6.根据权利要求4所述的测温方法，其特征在于，所述热辐射功率测温，具体为：设检测波长为λ时，测量仪器的带宽为Δλ，检测功率为P(T)，则P(T)表示为：2CN115855305A权利要求书2/2页当Δλ小于一定值时，上式改写为：其中，ε(λ0，T)可以看作一个常数，带宽Δλ为一个固定常数；当λ0＜1um,T＜1500K时，exp(C2/λ0T)＞＞1，上式写成：故P(T)的值只与温度T有关，且P(T)是一个关于温度T的指数函数；当使用光功率计测量辐射功率对应的温度时，其测温灵敏度S(T)为：7.根据权利要求4所述的测温方法，其特征在于，所述对热辐射功率与温度关系式的常数项进行确定，具体为：(1)：将传输光纤与光功率计直接连接。(2)：选择预设波段，以高温电阻炉显示温度为标准进行实验确定；(3)：在预设范围内，每升温10℃记录一次光功率计所测功率值；(4)：对测量结果进行画图拟合，拟合表达式为：234P(T)＝A0+A1T+A2T+A3T+A4T(9)其中，A0、A1、A2、A3、A4为常数项；(5)：在相