熒光衰減型光纖測溫

楊和平 朱楊凱 周正超 謝志迅 謝志行

1. 南京大學，江蘇南京 210023；

2. 南京力通達電氣技術有限公司，江蘇南京 210000；

3.南京大學金陵學院，江蘇南京 210089

一、引言

當今世界，對于機器自動探測的研究已經處于較為深入的狀態，并開始對探測數據的精確度和抗干擾能力，以及對環境的自適應性能力進行探索。其中，光電信號的充分運用對工業生產和日常生活中的技術和速度提升有較大的影響，光纖傳感技術對于當今時代十分的適用，信息傳感技術的發展也將會是現在以及未來的一種趨勢。在21世紀，光纖傳感技術更是傳感領域中研究與開發最為活躍的技術，由于光纖的許多自身的物理性優點，因此，在高直流電場、高頻領域、微波場等極端的環境中的應用十分普遍[1]。

現有的熒光光纖測溫系統的光學組件部分相對復雜，而且集成不高，這增加了相應的體積和成本，同時光路的抖動也會影響測溫的準確性。光纖一端與光路耦合的部分大都采用直接對光，這樣耦合效率較低，而且光纖很難固定，并且熒光端在進行封裝的時候，一般只是在端部包裹一層保護套，這種方式使得測溫探頭無法很好的與被測物體對接，不利于進行熱傳遞，使得光纖溫度傳感器的測量效果較差，因此，本文通過實驗數據采集和數據分析進行一種工業上簡易適用的熒光傳感探頭，并提出一種擬合算法對該熒光溫度傳感器進行測試，通過示波器對熒光粉的溫度差異性進行測試，從而選出作為傳感器熒光物質材料的最佳材料。本文的主要工作有：

（1）在理論研究方面，通過查閱文獻對熒光光纖傳感技術的理論和應用問題進行了較為全面而系統的闡述，提出了基于熒光強度信號測量的熒光光纖溫度計的研究目標與實施方案，并分析了溫度計的光路結構，對熒光光纖溫度計的光纖傳感探頭進行了工業化的設計；

（2）進行了紫外光源與熒光傳感材料的一致性實驗；

（3）優化了測溫探頭，并提出對光電模塊的改進方案；

（4）在嵌入式平臺中實現最小二乘的擬合法，提高擬合曲線的精確度，實現算法計算參數。

二、基本測量原理

熒光發光原理是熒光衰減型測溫系統實現的根本理論基礎，這是一種光致發光的現象，其重要的理論支撐為：當熒光材料在可以激發它產生熒光的特定光譜波段的光照射后，會產生超出熱輻射的發光現象，而對于這種激發不光是光激發，也可以是某種形式的電磁輻射的影響，然后在這種激發的激勵停止之后，熒光受激發的這種發光現象將會持續一段時間才會消失，并且根據這種持續的時間，我們可以根據時間的長度分為長衰減型和短周期型，也稱為磷光和熒光的區別[2]。

熒光的產生在材料學中原理是電子在不同能級之間的躍遷產生的持續發光現象，具體原理如下：電子在高能級被激發后向低能級躍遷發出能量，這種能量以特定的形式向外發散，如光、熱等，而熒光衰減現象則是由于這種躍遷的持續能力。通常熒光材料的電子躍遷時間量級在ms級。一般來說，我們將這種能夠發出持續衰減的熒光的物質成為熒光材料。

與普朗克定律相一致的是，當一種物質在進行能級躍遷之后，波長為r的光波會在這一過程中發射出，在激發光消失之后，激發態的熒光壽命會決定這種熒光衰減的持續時間，這種持續時間也被稱為是熒光受激發之后的衰減壽命[3]。對于熒光的衰減來說，大量的科學實驗發現，衰減的光強隨時間的變化曲線型類似于指數型的函數。在大量的數據采集和描繪曲線后，衰減時間和光強之間確實存在一種指數函數的關系。針對這種函數關系，我們可以計算和擬合出對應的曲線函數和特征參數，其中，特征參數也被稱為衰減曲線的衰減特征值。根據理論上來講，一般滿足溫度的正相關關系，在所有熒光物質發光的過程中，由于輻射或者是非輻射競爭的存在會產生一些延遲效應，這種外在因素會導致激發態壽命的縮短，因而，我們在針對不同的應用時要關注不同的溫度需求，并對應的采取不同的熒光材料和相應的保護措施。

熒光測溫就是根據這種溫度相關性來進行的，針對這種溫度相關能力，通過對熒光信號的轉換檢測轉化的電信號，描繪出熒光衰減的指數型衰減曲線與溫度之間進行匹配擬合。

本論文中采用的是熒光壽命衰減型，即通過對熒光返回的衰減的曲線與溫度之間的關系測量溫度。用窄帶脈沖激發光對熒光材料進行激發，熒光材料發光，并形成激發態熒光體，這種形態的光強會隨著時間產生衰減，其衰變率為：

其中，N0—熒光光強的峰值常量；

t —時間系數；

τ —對應熒光材料的衰減系數。對于以指數形式衰變的熒光物質，其發射強度F(t)和激發態分子的數量N(t)成正比，即：

其中，F0—? N0之后的常數值；

t —時間系數；

τ —對應熒光材料的衰減系數。

對這兩個參數函數應對時間作圖，可得如圖1所示曲線[4]。熒光壽命也就是從最高峰值的光強衰減到0時的時間參數，lgF(t)對時間t的曲線斜率為熒光壽命倒數的負值τ-1。而事實上，在熒光物質受到激發之后，一些受激發的分子會立即返回原來的基態，有一些甚至會5倍的延遲后，熒光壽命結束返回基態，這就會導致實驗確定的熒光強度的衰減曲線。

在實驗表明下，不同環境溫度熒光壽命不同，熒光衰減曲線的參數可以與溫度呈現一定的關系：

其中，RE、Rf、ΔE、k —常數；

T —絕對溫度。

表1 待測熒光粉測試數據

因此，通過這種方法可以測量環境溫度，且對光強進行精確測量，熒光材料的選擇以及光源波段的選擇顯得尤為重要，溫度的參數變量僅由“熒光壽命”的特征參數決定，該特征參數不會受到光源的波動影響，降低了對控制光源穩定的嚴格要求。對比其他的熒光溫度傳感器簡化了結構，降低了成本，提高了性能，同時可以通過算法的方式對結果進行進一步提高精度。

三、探頭制備及實驗采集

首先，光纖探頭是實現光纖測溫的基礎，為了在采樣過程中減小誤差，則由光電探測器轉換的熒光衰減電信號要滿足以下幾個條件：幅度上易于區分、衰減時間大于1ms（芯片采樣可以達到1μs一次）、熒光的中心波長與光源有區分（利于二相分色鏡的分光）。因此，我們選取了幾種較為典型的熒光粉進行測試，并選取對可以激發熒光且中心波長在406.5nm的紫色光源。通過Morpho光譜儀進行分析熒光光譜的特性，實驗數據如表1所示[5]。

由實驗數據選取了效果較好的3、4兩種熒光粉進一步測試，發現在鍍上光纖端頭之后滿足技術要求，圖2為光譜儀測試3、4兩種激發后的效果。

制作光纖端頭時，將選定的紅色波長的熒光粉溶于特定濃度比的透明環氧樹脂溶劑中，充分攪拌并在顯微鏡下觀察分布是否均勻，取少許粘在切割好的斷面處，保持光纖豎直讓熒光粉完整覆蓋在端面上，形成半弧面的形狀，然后等待環氧樹脂凝固（選取的為單向凝固的環氧樹脂），等完全凝固后可以對端頭進行二次操作，安裝相應的熱傳導能力強的保護層，保護層要注意運用導熱性較好的材料，具體的安裝要看端頭測量的環境，應該相應的安裝保護層[7]。具體的效果如圖3。

對于測溫系統的整體搭建圖如圖4所示[6]。先通過示波器手動測量數據，用軟件進行曲線擬合，計算出各種溫度下的衰減參數，再進行數據分析。

另外，本論文中對傳感器探測的光電模塊中包括光源發射器、耦合器、1mm塑料光纖、光電轉換器、熒光探頭以及光電探測回路。紫色LED光源通過分光鏡經過耦合器進入光纖，在耦合器端口要注意光纖的ST頭與117A模塊的耦合度，光源通過光纖打到熒光傳感端頭上面，熒光信號通過光纖返回到模塊中，經過分光鏡，從另一路照在光電探測器上，從而將衰減的熒光光信號轉換為電信號，通過模塊的芯片多次在不同的時刻采樣，分光結構如圖，具體光路系統如圖5所示。

四、算法擬合實現

最小二乘法（也稱為最小平方法）是一種數學優化數據的計算方法，采取尋找最小化的平方和獲取數據的最有函數匹配的數學方法。最小二乘法相當于一次插值計算，可以尋找到未知數據，并使得最小化所獲得的數據和實際數據之間的誤差平方和，進一步模擬出擬合多項式的系數參數，生成對應的數據集合，數據點集合{(Xi,yi)}(i=0, 1, 2,…, m)，在取定的函數類φ中，求p(X)∈φ，使誤差的平方和E2最小：

從幾何的角度來講，要找到尋求與給定點集{(Xi, yi)}(i=0, 1, 2,…, m)的距離平方和為最小的曲線y=p(x)。函數p(x)稱為擬合函數或最小二乘解結果，求擬合函數p(x)的方法稱為曲線擬合的最小二乘法[7]。

原理：根據MATLAB中的polyfit(x, y, n)函數執行多項式曲線擬合的方式，其中，n為擬合的多項式次數，設擬合多項式為：y=a0+a1x+…+akxk，各點到這條曲線的距離和，也就是偏差平方和如下：

為了求得符合條件的a值，對等式右邊求偏導數，故而我們得到：

由式（6）化簡得到：通過以矩陣的形式表示這些方程，就可以得到下面的矩陣：

將這個范德蒙矩陣化簡后可得到：

也就是說X*A=Y，那么A=(X＆apos;*X)-1*X＆apos;*Y，通過矩陣計算便得到了系數矩陣A，同時，我們也就得到了擬合曲線的相關具體參數。

五、數據采集及分析

為了對衰減曲線與溫度之間的關系進行研究，對光電傳感和輸出衰減信號，用示波器進行人工數據測量，并計算對應的曲線衰減參數。

具體的操作如下：用驅動電路對模塊進行驅動，用分頻設計確定好激勵脈沖的頻率和脈寬，使紫色LED發出脈沖光，對熒光材料進行激發，再由示波器測量光電探測器的輸出的衰減電信號的曲線。對于上文中效果較好的熒光粉材料對與不同溫度下的衰減曲線進行取點測試，固定的橫坐標分別為5.0, 7.5, 10,12.5, 15, 22.4(ms)，測量數據如表2、3、4所示，由于示波器測量的精度不高，無法滿足實驗的0.1%的要求，因此在多次測量后，選取660nm長衰減型熒光粉對不同溫度下的測試數據進行曲線擬合，并通過取對數運算得到曲線的衰減系數，在MATLAB中對溫度與衰減系數進行線性匹配。

表2 660nm紅色熒光粉溫度測試

表3 650nm紅色熒光粉溫度測試

表4 660nm長衰減型熒光粉溫度測試

經過多次示波器手動測量數據，對數據進行處理得到衰減的參數——對數斜率，根據已知原理，觀察是否具有線性特征，用MATLAB進行處理數據，將擬合曲線與采樣點在一張圖中展現，如圖6所示。觀察曲線擬合的優劣，在通過兩邊同時取對數，使變成線性，再通過最小二乘法算法擬合出最佳線性，得到斜率，并通過圖像來展示（圖7），由于手動操作示波器的誤差較大，以及采樣的溫度點太少，線性效果與預想相差較大，在通過基于STM32F407多次延時采樣得到數值，再經過以上一系列操作后發現線性效果明顯。另外，猜想是由于模塊本身具有基態不穩定的噪聲信號，需要對基態信號的一些數據進行濾除。

六、總結

通過實驗表明：熒光衰減型光纖測溫對于溫度變化具有良好的應變性，且精度較高，在工業電力設備中運用相比較于其他設備，結構更加簡單，成本更低，性能及抗干擾能力更強，最重要在于精度較高[8]。相對于目前較為成熟的測溫系統如膨脹式測溫系統和紅外熱成像系統，它們的測量誤差大，并且紅外熱成像只能測量表面溫度。故而，這種熒光衰減型光纖測溫體系從傳感探頭的簡易度和執行性，到擬合算法的效率相較于現在市場上的測溫方式更加優越。熒光衰減型光纖測溫系統的實現，在與傳統的測溫方式的對比之下顯得尤為適合時下日益發展的電力行業的監測需求，它具有抗電磁干擾、精確度高等十分顯著的特質，而且其成本和低維護的商業價值也有重要的推廣價值。