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荧光式光纤测温的基本原理
时间:2024-05-22 12:54:44 点击次数:25

根据荧光余晖寿命与温度的函数关系制造的荧光法温度测量装置,具有传统温度测量方法无法比拟的优势。

荧光法测温的基本原理

当某种物质受到激发时,如被波长较短的可见光或紫外光照射、电场激励或化学反应等,会将能量吸收并储存,通过基态跃迁至具有一定振动能级的激发态。 但该激发态并不稳定,可能会恢复至平衡状态,且当外界激发源停止作用后,发光现象会持续一段时间,该现象即为余晖。 此外,荧光物质的分子在去活化过程中,不稳定的激化态分子会通过能级跃迁,从高能级回到低能级,且过剩的能量会以电磁辐射的形式发光。 因此根据激发方式的不同,可分为光致发光、电致发光、化学发光和生物发光等。

根据普朗克定律,当入射光的能量被发光材料接收时,会激发材料中的电子产生电子能级跃迁现象,且该过程中会产生波长为 λ 的出射光。 高能级与低能级的能量差的公式为:

E2 - E1 = k λ v = kf

式中:E1—电子在较低能级时的能量;

E2———电子在较高能级时的能量;

k———普朗克常数;

v———光在真空中的传播速度;

f———光的频率;

λ———出射光的波长。

由于 E1 、E2分别处于不同的能带中,为某一波段的光,而分子中的能量包括电子能产生的旋转能和核间轴弹性振动引起的振动能。 因此,当分子吸收光辐射时,经量子跃迁后,电子能会从基态升至较高的能级,且转动能和振动能会同时发生变化,使三种能量相互作用。 其中,入射光消失后,发光材料会持续发光一段时间,该出射光即为荧光;而高频短波的光能会激发出长波低频的光,且服从斯托克斯定律。

荧光测量法的基本理论依据为:当荧光线状光谱的强度与温度呈现单调性,荧光物质的温度决定光淬灭过程的时间时,即可进行荧光测温。 因此,一般分为荧光强度测温法、荧光寿命测温法和激光诱导荧光法等。 其中,荧光寿命测温法在温度测量过程中不易受激励光源强度、耦合程度和光纤传输效率的影响,具有更明显的使用优势。 其测温原理为:激励光源移除后,荧光物质持续发射荧光的时间即为荧光寿命,取决于激发态的寿命。 在一定的温度范围内,荧光物质的荧光寿命长短与对应的温度高低相关。 荧光寿命是指当激发光源被切断后,荧光强度衰减至原强度的 1 / e 经历的时间,与温度的关系可表示为:

τ(T) =1 +e-ΔE/(KT)Rs+ RTe-ΔE/(KT)

式中:Rs、RT 、K、ΔE———常数;

T———热力学温度。

由此可知,荧光余晖衰变的时间常数与温度为单值函数关系,且只与温度有关


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