一种基于三价镨离子发光特性的高灵敏度温度测量方法技术

一种基于三价镨离子发光特性的高灵敏度温度测量方法，本发明专利技术涉及温度传感技术领域，它为了解决现有基于镨离子热耦合能级的温度传感材料的灵敏度较低的问题。温度测量方法：一、将Pr3+掺杂到无机氧化物或氟化物中，制备得到Pr3+摩尔掺杂浓度为1％～10％的荧光温度传感材料；二、在不同温度下测试荧光温度传感材料的光致发光谱，建立荧光峰强度比依赖于环境温度的标准曲线；三、将荧光温度传感材料置于待测温度的环境中，计算对应的荧光峰荧光强度比，代入步骤二的标准曲线中，得到待测环境的温度测量值。本发明专利技术通过对氧化物或氟化物的高浓度Pr3+离子掺杂，提高了荧光温度传感材料的灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于三价镨离子发光特性的高灵敏度温度测量方法
本专利技术涉及温度传感
，具体涉及一种基于三价镨离子发光特性的温度测量方法。
技术介绍
众所周知，温度是一个非常重要的物理量。对温度的监控无论在工业生产中还是科学研究中都有着非常重要的作用。尽管目前的测温设备为人们提供了广泛的选择，但是随着对温度传感设备的特性要求越来越高，例如，对高电压电器设备，工业微波设备，石油开采设备等具有高电压，强电磁干扰，易燃易爆等特殊环境下的温度检测，热电偶以及热电阻等利用电信号来表征温度的传统传感元件无法满足对温度长期稳定的测量。光学温度传感技术的研制和开发具有重要的应用价值。光学温度传感技术具有对电和磁不敏感，可实现远程测量等突出优势。当前，光学温度传感技术主要通过红外测温仪和运用稀土离子的热耦合能级对来实现。红外测温作为现在最常用的光学温度测试手段，通过不同的红外波长来确定红外测温仪的测量范围，能够应用于低中高全温区(-30～3000℃)；但是，红外测温仪易受环境因素影响(环境温度，空气中的灰尘等)，并且对于光亮或者抛光的金属表面的测温读数影响较大，测温误差较大，灵敏度低。发光材料的发光强度对温度的依赖性也可以用于温度测量，一般分为荧光强度型温度传感器和荧光强度比型温度传感器，相对于荧光强度型温度传感器泵浦光源在对荧光材料激励过程中的扰动易带来误差，荧光强度比型温度传感器更加准确。稀土离子具有优异的发光特性，基于稀土离子的热耦合能级机理，稀土离子的发光特性已经被应用于中低温区的温度传感。例如，2006年VineetKumarRai等人在碲酸锂玻璃中掺杂Pr3+离子，利用热耦合能级3P1-3H5和3P0-3H5发射的荧光强度比随温度变化的特性制备成荧光温度传感材料，测温范围为273K到453K(VineetKumarRaiet.SensorsandActuatorsA,2006,128,(14–17))，在此温度范围内传感材料的最大灵敏度为0.0144K-1。2014年ZhouShaoshuai等人制备了Pr3+掺杂的β-NaYF4温度传感材料，用于低温传感，测量范围为120K到300K，在此温度范围内传感材料的最大灵敏度为0.0135K-1(ZhouShaoshuaiet.JournalofNanoscienceandNanotechnology,2014,14,(3739-3742))。然而作为热耦合能级对的3P0和3P1态的能级间距较近，使得其发光峰交叠，在较高温度条件下不易分辨，影响测量精度；而且由于热耦合能级对能量差较小，使得用3P0和3P1态作为热耦合能级对的温度传感器的灵敏度不高。需要指出的是，由于热耦合能级对能量差要满足200-2000cm-1，所以灵敏度较低的问题不仅存在于基于镨离子热耦合能级的温度传感，也同样普遍存在于基于其它稀土离子热耦合能级的光学温度传感。因此开发一种基于稀土材料发光特性的高灵敏度温度传感方法具有重大的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有基于镨离子热耦合能级的温度传感材料的灵敏度较低的问题，而提供一种新型的、具有高灵敏度的基于三价镨离子发光特性的温度测量方法。本专利技术基于三价镨离子发光特性的高灵敏度温度测量方法按以下步骤进行：一、将Pr3+掺杂到无机氧化物或氟化物中，制备得到Pr3+摩尔掺杂浓度为1％～10％的荧光温度传感材料；二、在不同温度下测试荧光温度传感材料的光致发光谱，建立491nm(1D2-3H4)和603nm(3P0-3H4)荧光峰强度比依赖于环境温度的标准曲线；三、将荧光温度传感材料置于待测温度的环境中，测量荧光温度传感材料的发光光谱并计算出491nm(1D2-3H4)和603nm(3P0-3H4)对应的荧光峰荧光强度比，然后将荧光峰荧光强度比数据代入步骤二所述的标准曲线中，从而得到待测环境的温度测量值，完成基于三价镨离子发光特性的高灵敏度温度测量；其中步骤一所述的氧化物为SrTiO3、BaTiO3、(Ba,Sr)TiO3、Na1-xKxNbO3、Bi7Ti4NbO21、BixNa1-xTiO3、LiNbO3或CaWO4，所述的氟化物为β-NaYF4、BaY2F8、YLiF4、CdF2、KYF4或SrF2。本专利技术通过对氧化物或氟化物的高浓度Pr3+离子掺杂，得到了位于491nm(3P0-3H4)的高强度发光。采用高掺杂Pr3+离子条件下491nm(3P0-3H4)和603nm(1D2-3H4)荧光强度比测量温度，获得测量范围为室温到532K温度范围内的温度探测，在此温度范围内以6％Pr3+掺杂(Ba,Sr)TiO3制备的温度传感材料的灵敏度最大值(532K时)能够达到0.53K-1，远高于其它已报道光学温度探测方法的灵敏度。附图说明图1为光学温度传感材料6％Pr3+掺杂(Ba,Sr)TiO3和纯(Ba,Sr)TiO3的XRD图，1代表纯(Ba,Sr)TiO3的XRD图，2代表6％Pr3+掺杂(Ba,Sr)TiO3的XRD图；图2为光学温度传感材料6％Pr3+掺杂(Ba,Sr)TiO3的荧光强度随温度的变化关系曲线，图中-■-为307K的条件下荧光随温度的变化关系曲线，-□-为342K的条件下荧光随温度的变化关系曲线，-●-为371K的条件下荧光随温度的变化关系曲线，-○-为403K的条件下荧光随温度的变化关系曲线，-◆-为438K的条件下荧光随温度的变化关系曲线，-◇-为475K的条件下荧光随温度的变化关系曲线，-▲-为532K的条件下荧光随温度的变化关系曲线；图3为实施例一步骤二所得光学温度传感材料(Ba,Sr)TiO3:Pr3+在3P0→3H4和1D2→3H4发光的光强比随温度的变化的标准曲线图，图中■为实验数据点；图4为以实施例一所得光学温度传感材料(Ba,Sr)TiO3:Pr3+制备的温度传感器灵敏度随温度的变化曲线，图中■为实验数据点；图5为实施例五所得光学温度传感材料2％Pr3+掺杂Na1-xKxNbO3的荧光强度随温度变化关系曲线，图中-■-为322K的条件下荧光随温度的变化关系曲线，-□-为355K的条件下荧光随温度的变化关系曲线，-●-为387K的条件下荧光随温度的变化关系曲线，-○-为421K的条件下荧光随温度的变化关系曲线，-◆-为456K的条件下荧光随温度的变化关系曲线；图6为实施例五所得光学温度传感材料Na1-xKxNbO3:Pr3+在3P0→3H4和1D2→3H4发光的光强比随温度的变化图,图中■为实验数据点；图7是以实施例五所得光学温度传感材料Na1-xKxNbO3:Pr3+制备的温度传感器灵敏度随温度的变化曲线。图中■为实验数据点。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式基于三价镨离子发光特性的高灵敏度温度测量方法按以下步骤进行：一、将Pr3+掺杂到无机氧化物或氟化物中，制备得到Pr3+摩尔掺杂浓度为1％～10％的荧光温度传感材料；二、在不同温度下测试荧光温度传感材料的光致发光谱，建立491nm(1D2-3H4)和603nm(3P0-3H4)荧光峰强度比依赖于环境温度的标准曲线；三、将荧光温度传感材料置于待测温度的环境中，测量荧光温度传感材料的发光光谱并计算出491nm(1D2-3H4)和603nm(3P0-3H本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于三价镨离子发光特性的高灵敏度温度测量方法，其特征在于是按以下步骤进行：一、将Pr3+掺杂到无机氧化物或氟化物中，制备得到Pr3+摩尔掺杂浓度为1％～10％的荧光温度传感材料；二、在不同温度下测试荧光温度传感材料的光致发光谱，建立491nm和603nm荧光峰强度比依赖于环境温度的标准曲线；三、将荧光温度传感材料置于待测温度的环境中，测量荧光温度传感材料的发光光谱并计算出491nm和603nm对应的荧光峰荧光强度比，然后将荧光峰荧光强度比数据代入步骤二所述的标准曲线中，从而得到待测环境的温度测量值，完成基于三价镨离子发光特性的高灵敏度温度测量；其中步骤一所述的氧化物为SrTiO3、BaTiO3、(Ba,Sr)TiO3、Na1‑xKxNbO3、Bi7Ti4NbO21、BixNa1‑xTiO3、LiNbO3或CaWO4，所述的氟化物为β‑NaYF4、BaY2F8、YLiF4、CdF2、KYF4或SrF2。

【技术特征摘要】
1.一种基于三价镨离子发光特性的高灵敏度温度测量方法，其特征在于是按以下步骤进行：一、将Pr3+掺杂到无机氧化物或氟化物中，制备得到Pr3+摩尔掺杂浓度为1％～10％的荧光温度传感材料；二、在不同温度下测试荧光温度传感材料的光致发光谱，建立491nm和603nm荧光峰强度比依赖于环境温度的标准曲线；三、将荧光温度传感材料置于待测温度的环境中，测量荧光温度传感材料的发光光谱并计算出491nm和603nm对应的荧光峰荧光强度比，然后将荧光峰荧光强度比数据代入步骤二所述的标准曲线中，从而得到待测环境的温度测量值，完成基于三价镨离子发光特性的高灵敏度温度测量；其中步骤一所述的氧化物为SrTiO3、BaTiO3、(Ba,Sr)TiO3、Na1-xKxNbO3、Bi7Ti4NbO21、BixNa1-xTiO3、LiNbO3或CaWO4，所述的氟化物为β-NaYF4、BaY2F8、YLiF4、CdF2、KYF4或SrF2。2.根据权利要求1所述的一种基于三价镨离子发光特性的高灵敏度温度测量方法，其特征在于步骤一所述的氧化物为SrTiO3、BaTiO3或(Ba,Sr)TiO3。3.根据权利要求1所述的一种基于三价镨离子发光特性的高灵敏度温度测量方法，其特征在于步骤一将Pr3+掺杂到(Ba,Sr)TiO3的制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙晔，唐巍，于淼，杨彬，曹文武，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23