基于新型氧化钛基玻璃上转换发光性能的光学温度传感器制造技术

本实用新型专利技术涉及一种基于新型氧化钛基玻璃上转换发光性能的光学温度传感器，包括：能够发射荧光并产生上转换光谱数据的荧光发射系统、用于探测上转换光谱的探测器、以及与所述探测器连接并能够采集和处理上所述转换光谱数据的计算机，所述荧光发射系统包括：发射规定激光的激光器、与所述激光器连接的光纤、一端与所述光纤连接的导管、与所述导管的另一端连接的爪形夹具、以及固定于所述爪形夹具中远离导管的另一端的玻璃体。根据本实用新型专利技术，可实现温度的高精度、宽范围、无接触式测量。由于荧光强度比不受外界环境中的电场、磁场、振动等因素的影响，能够对大电流、强磁场、强腐蚀等特殊环境中的温度进行高精度测量。

Optical temperature sensor based on Upconversion Luminescence Properties of new titanium oxide based glass

The utility model relates to an optical temperature sensor based on the upconversion luminescence performance of a novel titanium oxide based glass, which includes a fluorescence emission system capable of emitting fluorescence and producing upconversion spectrum data, a detector for detecting up conversion spectra, connected with the detector, and capable of collecting and processing the conversion. A computer of spectral data, the fluorescence emission system includes a laser transmitting a laser, an optical fiber connected with the laser, a catheter connected with the optical fiber, a claw shaped clamp connected with the other end of the catheter, and a vitreous body fixed to the other end of the claw shaped fixture far away from the catheter. According to the utility model, the high precision, wide range and non-contact measurement of the temperature can be realized. Because the fluorescence intensity is not affected by the factors such as the electric field, magnetic field and vibration in the external environment, the temperature of the special environment such as high current, strong magnetic field and strong corrosion can be measured in high precision.

【技术实现步骤摘要】
基于新型氧化钛基玻璃上转换发光性能的光学温度传感器
本技术涉及温度传感
，更具体地，涉及一种基于新型氧化钛基玻璃上转换发光性能的光学温度传感器。
技术介绍
温度是一个基本的热力学单位，在科学研究和生产实践中，准确测量物体的温度具有重要的意义。目前，温度传感器大多是通过金属温度计、热电偶、高温计和热敏电阻等与待测物直接接触的方式实现温度测量，然而，对于强磁场、射频、微波、大电流、易燃易爆、腐蚀性气体等特殊环境的温度测量，基于稀土离子上转换发光性能的光学温度测量不仅能够进行无接触式的温度监测，还能够实现宽范围、高精度的温度测量，是一种新型的温度测量方式，在发电站、炼油厂、煤矿、建筑火灾探测器、强磁装置、化工厂等领域具有十分良好的应用前景。通过稀土上转换中两个发光波段的荧光强度比与温度的特有关系来进行温度的测量，减小了对测量环境的依赖，基本不受泵浦激光的功率波动和光路传播过程中如水汽、灰尘等的影响，能够显著提高测量的精度和抗击背景噪音的能力。在激发光源的泵浦下，稀土离子构成热耦合能级对的两能级在热平衡状态下的粒子数分布满足玻尔兹曼统计分布规律，即粒子数的分布与温度有一定的对应关系。稀土离子的荧光发射强度与该能级上的粒子数成正比，因此，可建立热耦合能级的荧光强度比与温度的定量关系，这也是光学温度测量的理论基础。构成热耦合能级对的两个能级间距一般在200cm-1≤ΔE≤2000cm-1范围内。若ΔE过大，较低能级上的粒子不能很好地借助热能布居到高能级上，不利于实现热耦合，导致测温有误差；若ΔE过小，两能级发出的荧光谱带将产生严重的重叠，导致荧光强度比的计算偏离真实值，造成测温误差。又，Er3+离子不仅能级结构丰富、上转换发光性能良好，而且Er3+的2H11/2、4S3/2两个能级的间距比较近，约为780cm-1，ΔE值大小适中，能够构成一对良好的热耦合能级对。传统的氧化物材料虽然物理化学性能稳定，但是声子能量普遍较高，上转换发光效率低下，影响光学温度测量的信号探测及测量精度。而新型重金属氧化物玻璃具有耐腐蚀、高机械强度、高熔点(大于1400℃)、低声子能量、折射率高(高达2.37)等优点，有利于获得优异的上转换发光性能和实用性能。这类重金属氧化物玻璃的出现，能够极大地推动上转换发光在光学温度测量领域中的应用。此外，重金属氧化物熔体在冷却过程中，离子很容易重排析晶，传统的有容器方法很难制备块体重金属氧化物玻璃。为了解决这一技术难题，我们采用了一种新型的材料制备方法，即悬浮无容器技术。基于丰富的航天型号项目经历，在空间探索过程中，我们发现空间具有抑制熔体对流、避免沉降、消除器壁、解决材料的分凝问题等特点，是制备新材料的理想环境。研究表明，在神舟三号飞船上生长的硅酸铋单晶的表面质量、成分均匀性和缺陷密度要明显好于地面生长的晶体。为了在地面获得消除器壁效应，我们发展了悬浮无容器技术，这种技术在地面模拟了空间环境的无容器效应。无容器技术能够抑制异质形核、获得深过冷熔体、实现快速凝固、提高熔体均匀性，是制备常规有容器方法难以获得的新型玻璃材料的有效实验技术。利用气悬浮无容器激光加热技术制备了新型Er3+/Yb3+共掺La2O3-TiO2-ZrO2玻璃，研究结果表明，玻璃不仅具有高折射率、优异的力学性能、热稳定性和耐腐蚀性，在980nm激光激发下，还能输出很强的上转换发光。此外，Er3+/Yb3+共掺La2O3-TiO2-ZrO2玻璃的上转换发光的荧光强度比与温度存在定量关系，能够开发成为光学温度传感器件。基于此，本技术专利基于气悬浮无容器技术制备的Er3+/Yb3+共掺La2O3-TiO2-ZrO2重金属氧化物玻璃具有耐腐蚀、耐高温、机械强度优良、低声子能量等特点，提出利用稀土掺杂玻璃的荧光强度比与温度的定量关系，实现光学温度测量的器件化。荧光强度比与外界的电场、磁场、振动场等影响因素无关，与外界的温度成定量关系，这样可以避免基于电性能的温度测量设备容易受到电磁干扰的不利因素，还能够实现温度的无接触式测量。基于本技术专利，能够推动新型高效稀土掺杂重金属氧化物玻璃在高精度、宽范围光学温度测量领域中的应用，为大电流、强磁场、易燃易爆、强腐蚀等特殊环境的无接触式温度测量提供一种新的解决方案。
技术实现思路
本技术是鉴于以上技术问题而形成的，目的在于提供一种基于新型氧化钛基玻璃上转换发光性能的光学温度传感器，基于新型氧化钛基玻璃的上转换发光性能，利用荧光强度比与温度的定量关系，可实现温度的高精度、宽范围、无接触式测量。由于荧光强度比不受外界环境中的电场、磁场、振动等因素的影响，能够对大电流、强磁场、强腐蚀等特殊环境中的温度进行高精度测量。为了解决上述技术问题，本技术提供的光学温度传感器，包括：能够发射荧光并产生上转换光谱数据的荧光发射系统、用于探测上转换光谱的探测器、以及与所述探测器连接并能够采集和处理上所述转换光谱数据的计算机，所述荧光发射系统包括：发射规定激光的激光器、与所述激光器连接的光纤、一端与所述光纤连接的导管、与所述导管的另一端连接的爪形夹具、以及固定于所述爪形夹具中远离导管的另一端的玻璃体。根据本技术，使用该光学温度传感器可实现复杂环境、极端条件下温度的无接触式测量，避免了电磁干扰对温度测量过程中的影响，实现了大范围、高精度的光学温度测量。本技术的光学温度传感器结构简单、设计新颖、操作方便，通过稀土离子上转换光谱中两个发光波段的荧光强度比与温度的定量关系来进行测温，减少了对测量环境的依赖，基本不受泵浦激光的功率波动和光路传播过程中的外界因素如水汽、灰尘等的影响，可以显著提高测量精度和信噪比。又，基于电信号的测温方式常常受到强磁场、射频、微波、大电流等极端环境的干扰，无法获得准确的温度信息，作为一种新型的测温方式，基于荧光强度比的温度测量方式，基本不受这些极端环境的影响，还能够实现无接触式的温度测量。此外，玻璃良好的耐腐蚀性、力学和热学性能，有利于实现在腐蚀性气体、易燃易爆等环境中的温度测量。本技术中，也可以是，所述激光器可发出970-985nm波长的连续激光，功率在0-5W连续可调，焦斑直径小于等于5mm，波长稳定性优于50nm。根据本技术，所述激光器可以激发出明显可探测到的发光强度。本技术中，也可以是，所述光纤、所述导管以及所述爪形夹具分别通过安装片连接。根据本技术，使激发光路系统固定，不发生位移、变形等。本技术中，也可以是，所述导管的内径为2-10mm，厚度为1-5mm，长度为20-300mm，两端固定有安装片。根据本技术，所述导管保护激发激光不受外界干扰，提高测试的稳定性。本技术中，也可以是，所述玻璃体为Er3+/Yb3+共掺La2O3-TiO2-ZrO2玻璃，直径为1-8mm的圆片状，厚度为0.5-5mm。根据本技术，玻璃化转变温度大于700℃，在980nm激光激发下，能够发射可探测的可见光，为探测器提供易于探测的发光，最终提供温度信号。本技术中，也可以是，所述玻璃体中Er3+离子的2H11/2和4S3/2态回到基态所发射的荧光峰，两个所述荧光峰的强度比与温度成定量关系。根据本技术，该关系可成为光学温度测量的依据，并不受外本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于新型氧化钛基玻璃上转换发光性能的光学温度传感器，其特征在于，包括：能够发射荧光并产生上转换光谱数据的荧光发射系统、用于探测上转换光谱的探测器、以及与所述探测器连接并能够采集和处理所述上转换光谱数据的计算机；所述荧光发射系统包括：发射规定激光的激光器、与所述激光器连接的光纤、一端与所述光纤连接的导管、与所述导管的另一端连接的爪形夹具、以及固定于所述爪形夹具中远离导管的另一端的玻璃体。

【技术特征摘要】
1.一种基于新型氧化钛基玻璃上转换发光性能的光学温度传感器，其特征在于，包括：能够发射荧光并产生上转换光谱数据的荧光发射系统、用于探测上转换光谱的探测器、以及与所述探测器连接并能够采集和处理所述上转换光谱数据的计算机；所述荧光发射系统包括：发射规定激光的激光器、与所述激光器连接的光纤、一端与所述光纤连接的导管、与所述导管的另一端连接的爪形夹具、以及固定于所述爪形夹具中远离导管的另一端的玻璃体。2.根据权利要求1所述的光学温度传感器，其特征在于，所述激光器发出970-985nm波长的连续激光，功率为0-5W，焦斑直径小于等于5mm。3.根据权利要求1所述的光学温度传感器，其特征在于，所述导管的内径为2-10mm，厚度为1-5mm，长度为20-300mm，两端固定有安装片。4....

【专利技术属性】
技术研发人员：张明辉，艾飞，邓伟杰，陈锟，温海琴，于惠梅，潘秀红，汤美波，盖立君，雷磊，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：新型
国别省市：上海,31