[發明專利]基于多孔薄膜的光纖溫度傳感器及其制備和測量方法

有效

• 申請號: 201410270251.1
• 申請日: 2014-06-17
• 公開（公告）號: CN104006901B
• 公開（公告）日: 2017-03-08
• 發明（設計）人: 楊明紅;謝唯靜;李冬文;黃楚佳;祁寵杰
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: G01K11/32
• 分類號: G01K11/32
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司42102
• 代理人: 王丹

技術領域

本發明屬于光纖傳感技術、材料科學以及光電子技術的交叉領域，具體涉及基于多孔薄膜的光纖溫度傳感器及其制備和測量方法。

背景技術

近年來光纖傳感器在許多領域得到廣泛研究。而國防科技、航空航天、發電變電、紡織、食品、醫藥、倉儲、農業等行業對濕度都有非常嚴格的要求，對濕度傳感器的環境適應性以及測量范圍、響應速度、測量精度等主要指標也越來越高。傳統的電容式、電阻式等電量濕度傳感器存在著長期穩定性和互換性差、不能在嚴重污染和強電磁干擾環境下工作，以及只能單點測量的嚴重不足。而光纖傳感器因為具有體積小，重量輕，不受電磁干擾，光纖傳輸全光信號，易于集成等一系列的優點，而在如今傳感器發展制作中備受關注。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：基于多孔薄膜的光纖溫度傳感器及其制備和測量方法，具有微型化、可批量生產以及潛在低成本的優點。

本發明為解決上述技術問題所采取的技術方案為：基于多孔薄膜的光纖溫度傳感器，其特征在于：它包括由纖芯和光纖包層構成的裸纖，裸纖一端的端面鍍有濕度敏感薄膜，裸纖的另一端用于信號輸出；裸纖外套有毛細玻璃管，毛細玻璃管的兩端通過紫外固化膠固定密封，毛細玻璃管與裸纖之間為空腔，濕度敏感薄膜被密封在毛細玻璃管內。

按上述光纖溫度傳感器，所述的濕度敏感薄膜包含三層薄膜，依次為二氧化鈦介質薄膜、納米級微孔二氧化硅介質薄膜和二氧化鈦介質薄膜。

按上述光纖溫度傳感器，所述的二氧化鈦介質薄膜的厚度為120-250nm，納米級微孔二氧化硅介質薄膜的厚度為二氧化鈦薄膜的8-10倍，具體可根據對反射光譜的實際要求設計具體膜厚及比例。

上述基于多孔薄膜的光纖溫度傳感器的制備方法，其特征在于：將準備好的裸纖一端的端面置于物理氣象沉積裝置中進行鍍膜，制備裸纖端面上的濕度敏感薄膜；取一段毛細玻璃管，將鍍好膜的裸纖懸空放入毛細玻璃管中，兩頭用紫外固化膠固定封裝；封裝時記錄環境及毛細玻璃管內的溫、濕度，不能超過濕度敏感薄膜的敏感范圍。

按上述制備方法，鍍膜具體步驟為：將裸纖光滑的端面朝向物理氣象沉積裝置的靶材，采用真空蒸鍍技術在端面依次蒸鍍三層薄膜，分別依次為二氧化鈦介質薄膜、納米級微孔二氧化硅介質薄膜和二氧化鈦介質薄膜，蒸鍍膜料分別依次為純度為99.99％的Ti₃O₅顆粒、SiO₂顆粒和Ti₃O₅顆粒，粒度為3-5mm，蒸鍍機腔體真空度為0.03Pa，總充入氧氣量為150-160sccm，蒸鍍速率分別依次為和

按上述制備方法，所述的二氧化鈦介質薄膜的厚度為120-250nm，納米級微孔二氧化硅介質薄膜的厚度為二氧化鈦薄膜的8-10倍，薄膜的厚度由晶振片監控。

按上述制備方法，取市售通訊多模光纖，包括纖芯和光纖包層構成的裸纖，包層外設有涂敷層，涂敷層外設有護套；剝去市售通訊多模光纖一端的護套和涂敷層，露出長度為3-6cm裸纖，將裸纖一端端面切平，僅保留長0.5-2cm，即構成所述的準備好的裸纖。

一種溫度測量系統，其特征在于：它包括上述基于多孔薄膜的光纖溫度傳感器，光纖溫度傳感器的信號輸出端與光纖耦合器的合路端連接，光纖耦合器還包括2個分路端，分別與寬帶光源和光譜儀連接，光譜儀的數據端與處理器連接。

按上述溫度測量系統，所述的光纖溫度傳感器至少2個，它們的信號輸出端通過光開關與光纖耦合器的合路端連接。

基于上述溫度測量系統實現的溫度測量方法，其特征在于：它包括以下步驟：

接收光纖溫度傳感器傳遞來的光譜信息，繪制以波長為橫坐標、反射強度為縱坐標的光譜圖；

讀取指定光波谷的波長值λ，利用溫度標定關系式計算溫度值T：

T＝a₀+a₁*λ+a₂*λ²+…+a_n-1*λ^n-1+a_n*λⁿ,

其中a₀、a₁,…、a_n-1、a_n均為常數，通過對光纖溫度傳感器溫度響應曲線進行多項式擬合得到，n的取值視精度而設定，需求精度越高，n的取值越大。