基于YAG:Dy荧光寿命测量的温度测量系统及其测试方法与应用技术方案

本发明专利技术涉及基于YAG:Dy荧光寿命测量的温度测量系统及其测试方法与应用，温度测量系统包括信号发射器、与信号发射器电连接的UV‑LED紫外光源、温度测量探针以及与温度测量探针配合使用的温度信号处理单元，该温度信号处理单元包括滤光镜、光电倍增管检测器、与光电倍增管检测器依次电连接的电阻箱及示波器，所述的温度测量探针的表面喷涂有YAG:Dy荧光层，并通过光纤分别与UV‑LED紫外光源、滤光镜相连；所述的温度测量系统用于测量航空发动机或地面燃气轮机处于工作状态下的温度。与现有技术相比，本发明专利技术具有测量温度高1080‑1700℃，温度精确高的特点，根据改变温度测量探针的形状适应不同环境下的温度测量，不影响温度场，温度精度高，适用范围广。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无机光学材料
，涉及一种基于YAG:Dy荧光寿命测量的温度测量系统及其测试方法与应用。
技术介绍
随着先进航空发动机技术的发展，在追求涡轮高效率、长寿命的前提下，涡轮前温度不断提高，发动机温度是表征航空发动机、燃气轮机工作状态是否正常的最重要的参数之一，也是飞行员和维护人员必须掌握的重要参数，所以精确有效地检测温度，意义重大。目前，在航空发动机更新换代的过程中，高温测试技术的研究开发起到非常重要的作用。为了获得发动机温度，可以采用很多方法，例如，使用红外热像仪、光电高温计、示温漆、热电偶等测量技术。其中，红外热像仪通过红外成像镜头把物体的温度分布图像成像在二维传感器阵列上，将物体的辐射能量转化为可视的温度图像，从而获取温度场分布。该技术信息量大，但温度分辨力和空间分辨力都不高。由于发动机涡轮和燃烧室内部的环境十分恶劣，存在烟雾和粉尘颗粒对辐射光的反射叠加问题，容易造成较大的测量误差。对光电高温计及比色测温仪而言，只要被测物体可以被聚焦，就可以使用在相当远的距离，然而，不可避免的灰尘、窗口火焰和气体以及其他一些光的障碍物都会产生测量误差。但其存在的最大问题是只能实现温度点或极小区域内的温度测量。还有一种方法是示温漆，具有大面积场测温功能，记忆最高温度，具有使用方便、测量结果直观等特点，可以显示的温度范围为10～1350℃。但对于温度较低的情况而言，其测量准确度也相对较低。该技术的测量结果与使用条件、使用者的判读经验有很大关系。目前，最主要的测温方式为热电偶。由于热电偶测得的热电势都是毫伏级电压信号，大概0.04mV对应1℃，所以测量精度很难保证，而且测温元件直接与被测介质接触，两者之间进行充分的热交换，最后达到热平衡，这时感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对象的温度值。感温元件影响被测温度场的分布，响应时间较长。相比于上述测量技术，采用测量荧光材料的荧光寿命获得温度信息的方法，则适用于高温测量条件，可解决目前无法直接测量燃气温度的技术难题，从而更好地检测发动机状态。此方法具有很大的灵活性，可以改变单晶氧化铝的形状，将测量探针在发动机的尺寸尽量减小，从而避免测温元件改变温度场的分布，实现燃气温度的准确测量。YAG:Dy是一种有效的发光材料，具有很好的光学性能，测量温度可达1700℃以上，能够测量1080-1700℃的温度。它的热导性能低于氧化钇稳定氧化锆，因此，沿着YAG:Dy涂层厚度方向温度分布更加均匀，测得的温度误差较小。它的热膨胀系数为9.1×10-6/k，这与氧化铝的热膨胀系数(9.5×10-6/k)非常相近，因此在冷却过程中，荧光层和氧化铝产生的残余应力较小，荧光层的涂层寿命更长。YAG:Dy具有优异的抗腐蚀性能。氧化铝棒表面的YAG:Dy涂层能够部分阻止发动机内部的红外辐射进入荧光信号采集系统，减少高温下红外辐射对荧光信号测量的影响。目前，用于制备YAG:Dy荧光涂层的方法主要有电子束物理气相沉积(EB-PVD)和等离子喷涂(APS)。EB-PVD方法制备的粘结层结构均匀，综合性能好，但沉积效率低，设备昂贵，成本高且样品的尺寸不能太大。相比于EB-PVD方法，APS方法沉积效率高，制备成本低。授权公告号为CN103194715B的中国专利技术专利公布了一种大气等离子体喷涂技术制备非晶Y3Al5O12涂层的方法，包括如下步骤：步骤(1)，将Al2O3粉末和Y2O3粉末均匀混合，造粒得到Y3Al5O12粉末，并将所述Y3Al5O12粉末送入大气等离子体喷涂设备；步骤(2)，对被喷涂的基材表面进行预处理；步骤(3)，通过所述大气等离子体喷涂设备在所述基材表面进行等离子喷涂，制备出非晶Y3Al5O12涂层；其中，所述步骤(3)中大气等离子体喷涂设备的电弧电压为40-70V，电弧电流为600-900A，送粉速度为15-100g/min，送粉角度为60°-90°，喷涂距离为80-135mm。上述专利技术为了获得非晶态的Y3Al5O12，采用空气喷吹方法或者循环水冷却方法来冷却基体从而获得高的冷却速度。不同于上述专利，本专利技术在喷涂过程中，基板为自由冷却，得到晶态的Y3Al5O12。相比于晶态的Y3Al5O12，非晶态的Y3Al5O12具有很高的混乱度，导致Y3Al5O12的对称性降低。而低的对称性则存在以下问题：1)掺杂在Y3Al5O12的Dy元素的荧光峰发生分裂，导致测量单个荧光峰的难度升高；2)影响Dy的荧光信号强度，导致强度降低；3)晶态的YAG在高温使用条件下更加稳定，对比专利文献中Y3Al5O12涂层用于刻蚀腔内，并不用于高温环境，因此更适合采用非晶态的Y3Al5O12，而本专利技术Y3Al5O12：Dy荧光涂层则是用于高温高压恶劣环境下，更适合采用晶态的Y3Al5O12。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种测试精度高，经济实用性好，使用寿命长，性能稳定的基于YAG:Dy荧光寿命测量的温度测量系统及其测试方法与应用，以解决现有技术中对航空发动机及其他高温应用进行温度测量中测量温度低等缺陷。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：基于YAG:Dy荧光寿命测量的温度测量系统，该温度测量系统包括信号发射器、与信号发射器电连接的UV-LED紫外光源、温度测量探针以及与温度测量探针配合使用的温度信号处理单元，该温度信号处理单元包括滤光镜、光电倍增管检测器、与光电倍增管检测器依次电连接的电阻箱及示波器，所述的温度测量探针的表面喷涂有YAG:Dy荧光层，并通过光纤分别与UV-LED紫外光源、滤光镜相连；在工作状态下，所述的信号发射器控制UV-LED紫外光源发射出脉冲光源，在脉冲光源的作用下，温度测量探针上的YAG:Dy荧光层发出荧光信号，该荧光信号通过滤光镜被光电倍增管检测器接收，光电倍增管检测器将荧光信号转换成电流信号并传送至电阻箱，再转换成电压信号，并显示在示波器上，获得荧光衰减光谱，利用衰减方程换算成荧光寿命，再根据荧光寿命与温度关系的标准曲线即可获得温度信息。所述的温度测量探针为表面等离子喷涂YAG:Dy荧光层的单晶氧化铝温度测量探针。所述的单晶氧化铝温度测量探针的形状为圆柱状或圆片状中的一种。所述的单晶氧化铝温度测量探针还可以做成类似热电偶的棒状等其它简单形状，以利于减小探针尺寸，并增加接受面积。所述的YAG:Dy荧光层中YAG:Dy的化学式为3Y2O3·5Al2O3·nDy2O3，其中，1≤n≤10，且n为整数。所述的YAG:Dy荧光材料的制备方法为：选择纳米粒径的Y2O3、Al2O3及Dy2O3，采用高能搅拌球磨，球磨20-50h后，于1200-1600℃下发生固相反应，得到最终成分的粉末；并通过手工造粒，加入PVA粘结剂，干燥，过筛，从而得到粒径为40-100μm，流动性好且适宜进行等离子喷涂的粉末。所述的YAG:Dy荧光层的厚度为5-20μm。所述的单晶氧化铝温度测量探针的制备方法为：首先对单晶氧化铝依次用丙酮、酒精进行去油处理，然后采用粒径为16-120目的Al2O3颗粒对单晶氧化铝进行喷砂处理，获得均匀的表面粗糙度(粗糙度的范围为1-15μm)，然后采用等离子喷涂方法，将YAG:Dy粉末喷涂在单晶氧化铝上即可。所述的喷砂处本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于YAG:Dy荧光寿命测量的温度测量系统，其特征在于，该温度测量系统包括信号发射器、与信号发射器电连接的UV‑LED紫外光源、温度测量探针以及与温度测量探针配合使用的温度信号处理单元，该温度信号处理单元包括滤光镜、光电倍增管检测器、与光电倍增管检测器依次电连接的电阻箱及示波器，所述的温度测量探针的表面喷涂有YAG:Dy荧光层，并通过光纤分别与UV‑LED紫外光源、滤光镜相连；在工作状态下，所述的信号发射器控制UV‑LED紫外光源发射出脉冲光源，在脉冲光源的作用下，温度测量探针上的YAG:Dy荧光层发出荧光信号，该荧光信号通过滤光镜被光电倍增管检测器接收，光电倍增管检测器将荧光信号转换成电流信号并传送至电阻箱，再转换成电压信号，并显示在示波器上，获得荧光衰减光谱，利用衰减方程换算成荧光寿命，再根据荧光寿命与温度关系的标准曲线即可获得温度信息。

【技术特征摘要】
1.基于YAG:Dy荧光寿命测量的温度测量系统，其特征在于，该温度测量系统包括信号发射器、与信号发射器电连接的UV-LED紫外光源、温度测量探针以及与温度测量探针配合使用的温度信号处理单元，该温度信号处理单元包括滤光镜、光电倍增管检测器、与光电倍增管检测器依次电连接的电阻箱及示波器，所述的温度测量探针的表面喷涂有YAG:Dy荧光层，并通过光纤分别与UV-LED紫外光源、滤光镜相连；在工作状态下，所述的信号发射器控制UV-LED紫外光源发射出脉冲光源，在脉冲光源的作用下，温度测量探针上的YAG:Dy荧光层发出荧光信号，该荧光信号通过滤光镜被光电倍增管检测器接收，光电倍增管检测器将荧光信号转换成电流信号并传送至电阻箱，再转换成电压信号，并显示在示波器上，获得荧光衰减光谱，利用衰减方程换算成荧光寿命，再根据荧光寿命与温度关系的标准曲线即可获得温度信息。2.根据权利要求1所述的基于YAG:Dy荧光寿命测量的温度测量系统，其特征在于，所述的温度测量探针为表面等离子喷涂YAG:Dy荧光层的单晶氧化铝温度测量探针。3.根据权利要求2所述的基于YAG:Dy荧光寿命测量的温度测量系统，其特征在于，所述的单晶氧化铝温度测量探针的形状为圆柱状或圆片状。4.根据权利要求2所述的基于YAG:Dy荧光寿命测量的温度测量系统，其特征在于，所述的YAG:Dy荧光层中YAG:Dy的化学式为3Y2O3·5Al2O3·nDy2O3，其中，1≤n≤10，且n为整数。5.根据权利要求4所述的基于YAG:Dy荧光寿命测量的温度测量系统，其特征在于，所述的YAG:Dy荧光层的厚度为5-20μm。6.根据权利要求2至5任一项所述的基于YAG:Dy荧光寿命测量的温度测量系统，其特征在于，所述的单晶氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨丽霞，赵晓峰，郭芳威，彭迪，刘应征，周新义，肖平，
申请(专利权)人：上海交通大学，河南普莱姆涂层科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31