基于荧光机理的温度测量技术的研究

论文摘要

随着工业生产的不断发展,生产过程中对温度的要求越来越高,因此,实现温度的准确测量变得十分重要,但是,在某些特殊的环境中,准确地测量温度非常的困难,甚至测温仪无法工作。所以人们一直在探索新的温度测量方法。荧光光纤温度测量技术是一种新型的温度传感技术,相比于传统的温度传感器,光纤传感器具有耐腐蚀、灵敏度高、结构简单、电绝缘性好、体积小、重量轻、信息容量大、响应速度快,传输损耗低,耗电少等优点,受到了国内外学者的高度重视。本文研究并设计了一套荧光光纤测温系统,以实现特殊环境下温度的实时测量。从荧光产生的机理出发,分析了物质分子的激发与去活化过程。研究了几种常见的荧光材料及其荧光特性,阐述了荧光测温的机理。列举了荧光测温的几种方法并进行比较,确定了采用荧光寿命型传感器。分析了荧光非指数性的原因并给出了改进措施。分析了锁相环路检测荧光寿命的工作机理,对锁相环路的模型和噪声特性进行了分析。研究了基本的两相锁定检测法,在此基础上设计了系统的锁相环路。基于光纤的传光特性,对不同激发光源的特性进行比较,选取了稳定高效的激发光源。阐述了光电探测器的工作原理并对其基本特性进行了分析。构建了荧光光纤测温系统的整体结构,包括光源及其驱动电路,荧光光纤传感探头,光电探测器及前置放大电路,滤波电路,锁相环路,单片机系统的设计。研究了系统中常用的两种数据处理方法,通过综合比较,选用了小波变换的方法。最后通过实验得出数据并进行分析,得出测温系统的测量范围和精度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 荧光光纤温度传感器的研究现状
• 1.2.1 荧光光纤温度传感器的发展历程
• 1.2.2 荧光光纤温度传感器的分类
• 1.3 课题研究的目的和意义
• 1.4 课题研究的主要内容
• 第2章 荧光测温机理及特性分析
• 2.1 荧光概述
• 2.2 荧光产生的过程
• 2.2.1 光的吸收过程
• 2.2.2 分子的激发过程
• 2.2.3 激发态分子的去活化过程
• 2.3 荧光材料及其特性
• 2.3.1 荧光材料
• 2.3.2 荧光材料的特性
• 2.4 荧光测温机理
• 2.5 非指数性理论分析
• 2.6 荧光余辉的截断归一化分析
• 2.7 改进措施
• 2.8 本章小结
• 第3章 荧光寿命锁相检测技术
• 3.1 微弱信号检测技术
• 3.2 锁相环的基本工作原理
• 3.2.1 锁相环的组成
• 3.2.2 环路模型分析
• 3.2.3 环路噪声分析
• 3.3 荧光寿命锁相检测法
• 3.3.1 基本的两相位锁定检测
• 3.3.2 锁相原理检测荧光寿命
• 3.4 本章小结
• 第4章 荧光光纤测温系统的设计
• 4.1 系统总体结构设计
• 4.2 光纤探头的设计
• 4.3 敏感材料的特性
• 4.4 本系统选用的光纤
• 4.4.1 光纤传输的原理
• 4.4.2 光纤的传输特性
• 4.5 光源及驱动电路的设计
• 4.5.1 半导体发光二极管
• 4.5.2 半导体激光二极管
• 4.5.3 氙灯
• 4.5.4 系统光源
• 4.5.5 驱动电路
• 4.6 光电检测器的选择
• 4.6.1 PIN 光电二极管
• 4.6.2 光电二极管的特性
• 4.6.3 光电检测器的选择
• 4.7 光路耦合
• 4.8 前置放大电路的设计
• 4.9 滤波电路的设计
• 4.10 锁相荧光寿命检测
• 4.11 单片机系统设计
• 4.11.1 A/D 转换器
• 4.11.2 数字信号处理器DSP 部分
• 4.12 本章小结
• 第5章 数据处理方法与实验结果
• 5.1 荧光寿命的快速傅里叶变换信号处理
• 5.1.1 时频分析
• 5.1.2 荧光寿命的快速傅里叶变换
• 5.1.3 时间抽取FFT 算法
• 5.2 基于小波变换的荧光信号处理
• 5.3 实验数据与分析
• 5.3.1 试验结果与分析
• 5.3.2 重复性和稳定性检测
• 5.3.3 系统误差分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介