一種新型熒光光纖測(cè)溫探頭及其一致性研究

鄭良廣，吳明明，趙呈銳，孫 炎

（1.中國(guó)中車傳感測(cè)量技術(shù)研發(fā)中心，寧波 315021；2.寧波中車時(shí)代傳感技術(shù)有限公司，寧波 315021）

近年來(lái)，光纖測(cè)溫技術(shù)取得了較大的研究成果，相對(duì)于傳統(tǒng)的鉑電阻、熱電偶、半導(dǎo)體等測(cè)溫技術(shù)，光纖具有一定的獨(dú)特性，能夠很好地抵抗外界環(huán)境的高壓與電磁干擾，具有絕緣、穩(wěn)定可靠、精度高、故障自診斷等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，因此，熒光測(cè)溫技術(shù)逐漸引起了諸多學(xué)者的關(guān)注[3-5]，文獻(xiàn)[6-7]分別提出了基于希爾伯特變換和小波變換的熒光測(cè)溫技術(shù)；文獻(xiàn)[8]搭建了熒光測(cè)溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，分析了不同組分熒光物質(zhì)光譜曲線，證明了光纖溫度傳感器的原理可行性。熒光光纖測(cè)溫傳感器在鐵路振動(dòng)、沖擊復(fù)雜環(huán)境下仍能保持較好的冗余可靠性，具備傳統(tǒng)鉑電阻傳感器所不具備的優(yōu)點(diǎn)，能夠很好的適于列車軸溫的監(jiān)測(cè)與報(bào)警。但傳統(tǒng)的熒光探頭是將熒光物質(zhì)包裹于光纖端部，不利于熒光的充分反射，影響傳感器測(cè)溫的一致性，且制作工藝相對(duì)繁瑣，耗費(fèi)人工成本較高。因此急需研發(fā)出一種新型裝配式的熒光溫度傳感器探頭體，并具備生產(chǎn)周期短、操作簡(jiǎn)單、測(cè)溫一致性等優(yōu)點(diǎn)。

本文著重介紹了基于熒光測(cè)溫原理的一種新型裝配式的熒光溫度傳感器探頭體，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了該熒光測(cè)溫探頭的一致性分析，并得出較好的測(cè)溫效果，對(duì)提升熒光溫度傳感器測(cè)溫一致性及生產(chǎn)便利性具有較大意義。

1 熒光測(cè)溫原理

熒光材料受到外部激發(fā)脈沖光源的照射下激發(fā)出更大波長(zhǎng)的熒光，對(duì)于特定的熒光材料，當(dāng)激發(fā)脈沖光源去除后熒光的強(qiáng)度和壽命衰減與溫度有一定的函數(shù)關(guān)系[9]，如式（1）所示，通過(guò)熒光衰減時(shí)長(zhǎng)即可得出所測(cè)環(huán)境溫度。熒光特性曲線如圖1所示。

圖1 熒光特性曲線Fig.1 Fluorescence characteristic

式中：I（t）為熒光強(qiáng)度；A為常數(shù)；Ip（T）為熒光峰值強(qiáng)度；τ（T）表示熒光衰減時(shí)間；Ip（T），τ（T）均與環(huán)境溫度有關(guān)，根據(jù)熒光余輝壽命的檢測(cè)可以得出相應(yīng)溫度。

熒光光纖溫度傳感器測(cè)溫示意圖如圖2所示。

圖2 熒光測(cè)溫示意圖Fig.2 Fluorescent optical fiber temperature measurement

熒光測(cè)溫探頭是基于端部激發(fā)的熒光信號(hào)實(shí)現(xiàn)測(cè)溫的，是熒光光纖測(cè)溫技術(shù)的核心部件，探頭性能的一致性對(duì)測(cè)溫系統(tǒng)起關(guān)鍵作用，熒光物質(zhì)的均勻性對(duì)激發(fā)出的熒光特性有重要的影響。傳統(tǒng)的熒光探頭是將熒光物質(zhì)包裹于光纖端部，不利于熒光的充分反射，且制作工藝相對(duì)繁瑣。基于上述考慮，本文提出了一種新型裝配式的熒光溫度傳感器探頭體，首先將熒光材料與特定膠合劑按照設(shè)定比例混合后制成熒光體，后與一端研磨的光纖通過(guò)沖壓方式裝配在一起，制作測(cè)溫探頭，并進(jìn)行性能一致性研究。

2 探頭的結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)

本文將特定熒光材料與膠合劑按設(shè)定比例均勻混合后注入專用模具中，形成厚度為1 mm，外形尺寸略小于金屬套管內(nèi)徑的熒光體；將熒光體放入金屬套管內(nèi)；對(duì)光纖一端研磨平整，在距離研磨端3 mm 處添加卡環(huán)，保證卡環(huán)牢靠卡緊光纖；將帶卡環(huán)的光纖由專用沖壓工具將其壓入套管內(nèi)，卡環(huán)與套管內(nèi)壁過(guò)盈配合，保證壓緊，同時(shí)套管內(nèi)壁設(shè)有限位槽防止過(guò)度沖壓造成光纖損傷；最后在套管外側(cè)注入密封膠與外界隔絕，以達(dá)到防水防塵的目的。制作探頭結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 探頭結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of probe

3 影響熒光探頭一致性研究

為提升熒光探頭測(cè)溫一致性，分別分析熒光體正反兩面、熒光體厚度、熒光粉濃度等因素對(duì)熒光探頭測(cè)溫一致性的影響。其試驗(yàn)詳情及結(jié)論如下所示。

3.1 試驗(yàn)環(huán)境

主要試驗(yàn)設(shè)備：酒精制冷恒溫槽（帶溫度校準(zhǔn)）、光電轉(zhuǎn)化模塊、顯示屏、探頭固定工裝等。

測(cè)試方法：將制冷恒溫槽設(shè)定在0 ℃，并通過(guò)鉑電阻對(duì)槽內(nèi)酒精進(jìn)行溫度校準(zhǔn)待溫度穩(wěn)定；探頭另一端通過(guò)光電轉(zhuǎn)化模塊與顯示屏相連；將熒光探頭通過(guò)固定工裝放入制冷恒溫槽內(nèi)酒精中至溫度穩(wěn)定，通過(guò)測(cè)溫軟件由顯示屏進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后進(jìn)行保存測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)。

3.2 探頭性能差異性

為了驗(yàn)證熒光體兩面光學(xué)性能的差異性，根據(jù)上述工藝方法，取20 根相同性能的光纖及相同條件下制備的20 個(gè)熒光體，分別將其正反兩面朝向光纖端部，制成2 種探頭各10 根。在0 ℃恒溫槽環(huán)境中進(jìn)行溫度測(cè)試，實(shí)測(cè)溫度如圖4所示。

圖4 熒光體正反兩面差異性測(cè)試Fig.4 Difference test of positive and negative sides of phosphor

正面熒光體探頭偏差為0.3 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差為0.09；反面熒光體探頭偏差為0.2 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差為0.06；整體偏差4.7 ℃，整體標(biāo)準(zhǔn)差為2.23。

由圖4顯然可以得出，熒光體同一側(cè)對(duì)應(yīng)的探頭測(cè)溫一致性較好，兩側(cè)光學(xué)性能存在整體性偏移，且兩側(cè)偏差約為4.7 ℃，影響測(cè)溫精度。為避免工藝過(guò)程中由熒光體兩面對(duì)光纖面朝向不同引起的測(cè)溫誤差，需對(duì)熒光體兩面差異性作進(jìn)一步探究并消除。

潛在差異性分析與探究：①厚度對(duì)熒光體兩面差異性的影響；②熒光材料含量對(duì)熒光體兩面差異性的影響。本文將對(duì)上述潛在因素分別進(jìn)行針對(duì)性探究。

3.3 熒光體厚度對(duì)探頭一致性的影響

為了探究熒光體厚度對(duì)其兩面光學(xué)性能差異的影響，在保持原有條件不變的情況下，探討熒光體厚度對(duì)測(cè)溫性能的影響。由于熒光探頭體整體結(jié)構(gòu)空間較小，故采用常溫固化方式制作厚度分別為0.5 mm，1 mm 及1.5 mm 的熒光體。通過(guò)上述工藝方法制作探頭，在0 ℃恒溫槽實(shí)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 熒光體厚度對(duì)探頭一致性的影響Fig.5 Influence of phosphor thickness to probe consistency

0.5 mm 熒光體正反面測(cè)溫偏差為0.5 ℃，0.6 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差為0.13，0.17；1 mm 熒光體正反面測(cè)溫偏差為0.4 ℃，0.5 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差為0.10，0.14；1.5 mm 熒光體正反面測(cè)溫偏差為0.4 ℃，0.4 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差為0.12，0.11。

通過(guò)圖5可以看出，3 種厚度的熒光體兩面所制作探頭測(cè)溫性能具有整體性偏移，改變厚度不能消除其差異性，厚度不是影響對(duì)熒光體兩面差異性的關(guān)鍵因素。

3.4 熒光材料濃度對(duì)探頭一致性的影響

熒光粉與膠合劑混合后濃度為處于未飽和狀態(tài)，常溫下膠合劑固化時(shí)間較長(zhǎng)（需24 h 以上），熒光材料存在沉降，使得熒光體兩面熒光材料濃度不同。現(xiàn)將膠合劑與熒光粉按設(shè)定比例充分混合后體置于60 ℃環(huán)境下進(jìn)行快速固化（約30 min），減少熒光材料沉降的幾率，能夠有效改善兩面熒光材料的濃度差異。根據(jù)使用需求制作厚度為1.5 mm 的熒光體，并在0 ℃恒溫槽內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，如圖6所示。

通過(guò)縮短熒光體固化時(shí)間后，組1～組3 熒光體正反兩面實(shí)測(cè)溫度最大差分別為0.2 ℃，0.2 ℃，0.1 ℃，0.1 ℃，0.2 ℃，0.3 ℃；標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.06，0.07，0.05，0.04，0.06，0.08；3 組探頭整體性能誤差小于±0.2 ℃。

從圖6可知，當(dāng)加快熒光體固化速度時(shí)，熒光體正反兩面所對(duì)應(yīng)探頭整體性偏移得到有效地抑制，探頭測(cè)溫性能具有較好一致性，并由此可以看出該種熒光光纖測(cè)溫探頭具有較好的測(cè)溫精度。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種新型熒光測(cè)溫探頭，重點(diǎn)研究了影響探頭測(cè)溫性能的一致性因素。研究發(fā)現(xiàn)：同側(cè)熒光體制作的探頭一致性較好，兩側(cè)對(duì)應(yīng)的探頭測(cè)溫性能存在一定整體性偏移，熒光體厚度對(duì)該差異性的影響較小；縮短熒光體固化時(shí)間，改善其兩面熒光材料濃度，可以有效改善熒光體兩面的一致性，避免探頭測(cè)溫整體性偏移，提高測(cè)溫精度。通過(guò)改善熒光體性能能夠提升熒光探頭的測(cè)溫性能，從而使熒光光纖溫度傳感器性能得到優(yōu)化。本文的研究對(duì)于提高熒光光纖溫度傳感器的測(cè)溫性能，優(yōu)化加工工藝提供了參考依據(jù)，具有一定實(shí)際工程價(jià)值。