基于多孔薄膜的光纖溫度傳感器及其制備和測量方法
【專利摘要】本發(fā)明提供基于多孔薄膜的光纖溫度傳感器，包括由纖芯和光纖包層構(gòu)成的裸纖，裸纖一端端面鍍有濕度敏感薄膜，另一端用于信號輸出；裸纖外套有毛細(xì)玻璃管，毛細(xì)玻璃管的兩端通過紫外固化膠固定密封，濕度敏感薄膜被密封在毛細(xì)玻璃管內(nèi)部。將準(zhǔn)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；取毛細(xì)玻璃管，將鍍好膜的裸纖懸空放入毛細(xì)玻璃管中，兩頭用紫外固化膠固定封裝；封裝時記錄環(huán)境及毛細(xì)玻璃管內(nèi)的溫、濕度，不能超過濕度敏感薄膜的敏感范圍。該溫度傳感器具有微型化、可批量生產(chǎn)以及潛在低成本的優(yōu)點；并且該溫度傳感器的制備方法簡單，易于操作；利用該溫度傳感器進行溫度測量準(zhǔn)確。
【專利說明】基于多孔薄膜的光纖溫度傳感器及其制備和測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)、材料科學(xué)以及光電子技術(shù)的交叉領(lǐng)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(shù)】
[0002]近年來光纖傳感器在許多領(lǐng)域得到廣泛研究。而國防科技、航空航天、發(fā)電變電、紡織、食品、醫(yī)藥、倉儲、農(nóng)業(yè)等行業(yè)對濕度都有非常嚴(yán)格的要求，對濕度傳感器的環(huán)境適應(yīng)性以及測量范圍、響應(yīng)速度、測量精度等主要指標(biāo)也越來越高。傳統(tǒng)的電容式、電阻式等電量濕度傳感器存在著長期穩(wěn)定性和互換性差、不能在嚴(yán)重污染和強電磁干擾環(huán)境下工作，以及只能單點測量的嚴(yán)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(yōu)點，而在如今傳感器發(fā)展制作中備受關(guān)注。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決的技術(shù)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(chǎn)以及潛在低成本的優(yōu)點。
[0004]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)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(gòu)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(xì)玻璃管，毛細(xì)玻璃管的兩端通過紫外固化膠固定密封，毛細(xì)玻璃管與裸纖之間為空腔，濕度敏感薄膜被密封在毛細(xì)玻璃管內(nèi)。
[0005]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(zhì)薄膜、納米級微孔二氧化硅介質(zhì)薄膜和二氧化鈦介質(zhì)薄膜。
[0006]按上述光纖溫度傳感器，所述的二氧化鈦介質(zhì)薄膜的厚度為120_250nm，納米級微孔二氧化硅介質(zhì)薄膜的厚度為二氧化鈦薄膜的8-10倍，具體可根據(jù)對反射光譜的實際要求設(shè)計具體膜厚及比例。
[0007]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(zhǔn)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(xì)玻璃管，將鍍好膜的裸纖懸空放入毛細(xì)玻璃管中，兩頭用紫外固化膠固定封裝；封裝時記錄環(huán)境及毛細(xì)玻璃管內(nèi)的溫、濕度，不能超過濕度敏感薄膜的敏感范圍。
[0008]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(shù)在端面依次蒸鍍?nèi)龑颖∧?，分別依次為二氧化鈦介質(zhì)薄膜、納米級微孔二氧化硅介質(zhì)薄膜和二氧化鈦介質(zhì)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2.5A/s、5A/s和2.5A/s。
[0009]按上述制備方法，所述的二氧化鈦介質(zhì)薄膜的厚度為120_250nm，納米級微孔二氧化硅介質(zhì)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(jiān)控。
[0010]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(gòu)成的裸纖，包層外設(shè)有涂敷層，涂敷層外設(shè)有護套；剝?nèi)ナ惺弁ㄓ嵍嗄９饫w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(gòu)成所述的準(zhǔn)備好的裸纖。
[0011]一種溫度測量系統(tǒng)，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(shù)據(jù)端與處理器連接。
[0012]按上述溫度測量系統(tǒng)，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(guān)與光纖耦合器的合路端連接。
[0013]基于上述溫度測量系統(tǒng)實現(xiàn)的溫度測量方法，其特征在于:它包括以下步驟:
[0014]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(biāo)、反射強度為縱坐標(biāo)的光譜圖；
[0015]讀取指定光波谷的波長值λ，利用溫度標(biāo)定關(guān)系式計算溫度值T:
[0016]T = ao+a!* λ +a2* λ 2+...+an_^ λ n-1+an* λ n,
[0017]其中…、an_1、an均為常數(shù)，通過對光纖溫度傳感器溫度響應(yīng)曲線進行多項式擬合得到，η的取值視精度而設(shè)定，需求精度越高，η的取值越大。
[0018]一種溫濕度測量系統(tǒng)，其特征在于:它包括權(quán)利要求1所述的基于多孔薄膜的光纖溫度傳感器，還包括光纖濕度傳感器，光纖溫度傳感器和光纖濕度傳感器的信號輸出端通過光開關(guān)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(shù)據(jù)端與處理器連接；
[0019]所述的光纖濕度傳感器包括由纖芯和光纖包層構(gòu)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。
[0020]基于上述溫濕度測量系統(tǒng)實現(xiàn)的溫濕度測量方法，其特征在于:它包括以下步驟:
[0021]分別接收光纖溫度傳感器和光纖濕度傳感器傳遞來的光譜信息，分別繪制以波長為橫坐標(biāo)、反射強度為縱坐標(biāo)的光譜圖；
[0022]讀取指定光波谷的波長值λ τ、λ Η，利用溫度標(biāo)定關(guān)系式計算溫度值T:
[0023]T = ao+a!* λ T+a2* λ τ2+...λλ Tm ；
[0024]利用濕度標(biāo)定關(guān)系式計算相對濕度值RH:
[0025]RH = bo+b^ λ H+b2* λ Η2+…+Iv1* λ 廣Wbi* λ ^ ；
[0026]其中λ τ為從光纖溫度傳感器反饋光譜中讀取的波長，λ ,為從光纖濕度傳感器反饋光譜中讀取的波長；％、％、…、B111Yam均為常數(shù)，通過對光纖溫度傳感器溫度響應(yīng)曲線進行多項式擬合得到山^匕、…、Iv1Ai均為常數(shù)，通過對光纖濕度傳感器濕度響應(yīng)曲線進行多項式擬合得到邱和i的取值視精度而設(shè)定，需求精度越高，m和i的取值越大。
[0027]本發(fā)明的有益效果為:
[0028]1、通過蒸鍍工藝直接在一段裸纖的端面上制作一個具有多層結(jié)構(gòu)的濕度敏感薄膜，從而構(gòu)成一個外腔式的光纖Fabry-Perot干涉腔，環(huán)境相對濕度的增大，使?jié)穸让舾斜∧の剿肿釉龆啵瑥亩鴮?dǎo)致薄膜的等效折射率變大、干涉腔光學(xué)長度變長，表現(xiàn)在干涉光譜上則是光譜向長波方向移動，通過檢測指定光波谷所對應(yīng)的波長值的變化便可實現(xiàn)對環(huán)境濕度的測量；利用密閉環(huán)境內(nèi)相對濕度隨溫度變化而改變的原理，封裝制備了基于此濕度敏感薄膜的光纖溫度傳感器；該溫度傳感器具有微型化、可批量生產(chǎn)以及潛在低成本的優(yōu)點；并且該溫度傳感器的制備方法簡單，易于操作；利用該溫度傳感器進行溫度測量準(zhǔn)確。
[0029]2、通常在測量濕度的時候，會因為溫度的變化而影響測量精度，利用該溫度傳感器與濕度傳感器一起進行溫濕度的測量，不僅能夠同時測量溫度和濕度，而且能夠?qū)y得的濕度值進行溫度補償，提高測量精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明一實施例的光纖溫度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖2為本發(fā)明一實施例的光纖濕度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖3為本發(fā)明一實施例的溫濕度測量系統(tǒng)框圖。
[0033]圖4為本發(fā)明一實施例的光纖溫度傳感器的光譜圖。
[0034]圖中:1.二氧化鈦介質(zhì)薄膜，2.多孔二氧化硅介質(zhì)薄膜，3.光纖包層，4.纖芯，
5.紫外固化膠，6.光纖涂敷層，7.毛細(xì)玻璃管，8.寬帶光源，9.光譜儀，10.光纖耦合器，
11.光開關(guān)，12.光纖濕度傳感器，13.光纖溫度傳感器。
【具體實施方式】
[0035]下面結(jié)合具體實例和附圖對本發(fā)明做進一步說明。
[0036]如圖1和圖2所示，本實施例提供的基于多孔薄膜的光纖濕度傳感器包括由纖芯4和光纖包層3構(gòu)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?；诙嗫妆∧さ墓饫w溫度傳感器包括由纖芯4和光纖包層3構(gòu)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(xì)玻璃管7，毛細(xì)玻璃管7的兩端通過紫外固化膠5固定密封，毛細(xì)玻璃管7與裸纖之間為空腔，濕度敏感薄膜被密封在毛細(xì)玻璃管7內(nèi)。濕度敏感薄膜包含三層薄膜，依次為二氧化鈦介質(zhì)薄膜1、納米級微孔二氧化硅介質(zhì)薄膜2和二氧化鈦介質(zhì)薄膜I。
[0037]所述的二氧化鈦介質(zhì)薄膜的厚度為120_250nm，納米級微孔二氧化硅介質(zhì)薄膜的厚度為二氧化鈦薄膜的8-10倍，具體可根據(jù)對反射光譜的實際要求設(shè)計具體膜厚及比例。
[0038]上述基于多孔薄膜的光纖溫度傳感器的制備方法如下:將準(zhǔn)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(xì)玻璃管(本實施例中毛細(xì)玻璃管長度l_3cm，內(nèi)徑300um，使用超聲波清洗儀清潔干凈，干燥)，將鍍好膜的裸纖懸空放入毛細(xì)玻璃管中，兩頭用紫外固化膠固定封裝；封裝時記錄環(huán)境及毛細(xì)玻璃管內(nèi)的溫、濕度，不能超過濕度敏感薄膜的敏感范圍(本實施例中敏感范圍為0-60% RH)。
[0039]鍍膜具體步驟為:將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(shù)在端面依次蒸鍍?nèi)龑颖∧?，分別依次為二氧化鈦介質(zhì)薄膜、納米級微孔二氧化硅介質(zhì)薄膜和二氧化鈦介質(zhì)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2.5A/s、5A/s和2.5A/so 二氧化鈦介質(zhì)薄膜的厚度為120-250nm，納米級微孔二氧化硅介質(zhì)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(jiān)控。
[0040]裸纖可自行制造、購買裸纖或取市售普通光纖進行改造。例如:市售通訊多模光纖包括纖芯4和光纖包層3構(gòu)成的裸纖，包層外設(shè)有涂敷層6，涂敷層外設(shè)有護套；剝?nèi)ナ惺弁ㄓ嵍嗄９饫w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
0.5-2cm,即構(gòu)成所述的準(zhǔn)備好的裸纖。
[0041]本基于多孔薄膜的光纖溫度傳感器的工作原理為:
[0042]在初始溫度濕度固定的密閉環(huán)境中，其內(nèi)部相對濕度隨溫度升高而減小，具體關(guān)系如下，
[0043]給定初始溫度Ttl、相對濕度RHtl,固定體積的密閉系統(tǒng)中，其相對濕度RH隨溫度變化的關(guān)系式為:
[0044]
【權(quán)利要求】
1.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(gòu)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(xì)玻璃管，毛細(xì)玻璃管的兩端通過紫外固化膠固定密封，毛細(xì)玻璃管與裸纖之間為空腔，濕度敏感薄膜被密封在毛細(xì)玻璃管內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多孔薄膜的光纖溫度傳感器，其特征在于:所述的濕度敏感薄膜包含三層薄膜，依次為二氧化鈦介質(zhì)薄膜、納米級微孔二氧化硅介質(zhì)薄膜和二氧化鈦介質(zhì)薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于多孔薄膜的光纖溫度傳感器，其特征在于:所述的二氧化鈦介質(zhì)薄膜的厚度為120-250nm，納米級微孔二氧化硅介質(zhì)薄膜的厚度為二氧化鈦薄膜的8-10倍。
4.如權(quán)利要求1所述的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(zhǔn)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(xì)玻璃管，將鍍好膜的裸纖懸空放入毛細(xì)玻璃管中，兩頭用紫外固化膠固定封裝；封裝時記錄環(huán)境及毛細(xì)玻璃管內(nèi)的溫、濕度，不能超過濕度敏感薄膜的敏感范圍。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于多孔薄膜的光纖溫度傳感器的制備方法，其特征在于: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(shù)在端面依次蒸鍍?nèi)龑颖∧?，分別依次為二氧化鈦介質(zhì)薄膜、納米級微孔二氧化硅介質(zhì)薄膜和二氧化鈦介質(zhì)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 2.5A/s、5A/s 和 2.5A/s。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于多孔薄膜的光纖溫度傳感器的制備方法,其特征在于:所述的二氧化鈦介質(zhì)薄膜的厚度為120-250nm，納米級微孔二氧化硅介質(zhì)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(jiān)控。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或5或6所述的基于多孔薄膜的光纖溫度傳感器的制備方法，其特征在于:取市售通訊多模光纖，包括纖芯和光纖包層構(gòu)成的裸纖，包層外設(shè)有涂敷層，涂敷層外設(shè)有護套；剝?nèi)ナ惺弁ㄓ嵍嗄９饫w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0.5-2cm長，即構(gòu)成所述的準(zhǔn)備好的裸纖。
8.一種溫度測量系統(tǒng)，其特征在于:它包括權(quán)利要求1所述的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(shù)據(jù)端與處理器連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的溫度測量系統(tǒng)，其特征在于: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(guān)與光纖耦合器的合路端連接。
10.基于權(quán)利要求8所述的溫度測量系統(tǒng)實現(xiàn)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(biāo)、反射強度為縱坐標(biāo)的光譜圖； 讀取指定光波谷的波長值λ，利用溫度標(biāo)定關(guān)系式計算溫度值T:
T = ao+a!* λ +a2* λ 2+...+an^ λ n-1+an* λ n,其中％、&1，…、an_1、an均為常數(shù)，通過對光纖溫度傳感器溫度響應(yīng)曲線進行多項式擬合得到，η的取值視精度而設(shè)定，需求精度越高，η的取值越大。
11.一種溫濕度測量系統(tǒng)，其特征在于:它包括權(quán)利要求1所述的基于多孔薄膜的光纖溫度傳感器，還包括光纖濕度傳感器，光纖溫度傳感器和光纖濕度傳感器的信號輸出端通過光開關(guān)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(shù)據(jù)端與處理器連接； 所述的光纖濕度傳感器包括由纖芯和光纖包層構(gòu)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。
12.基于權(quán)利要求11所述的溫濕度測量系統(tǒng)實現(xiàn)的溫濕度測量方法，其特征在于:它包括以下步驟: 分別接收光纖溫度傳感器和光纖濕度傳感器傳遞來的光譜信息，分別繪制以波長為橫坐標(biāo)、反射強度為縱坐標(biāo)的光譜圖； 讀取指定光波谷的波長值λτ、λ Η，利用溫度標(biāo)定關(guān)系式計算溫度值T:
T = ag+a^ 入 T+a2* 入 / + …+am-l* 入 τ"1 1+am* 入 τ"1 ; 利用濕度標(biāo)定關(guān)系式計算相對濕度值RH:
RH = bo+b!* λ H+b2* λ Η2+...+Iv1* λ H1^bi* λ J11 ； 其中λ τ為從光纖溫度傳感器反饋光譜中讀取的波長，λ Η為從光纖濕度傳感器反饋光譜中讀取的波長；％、％、…、B111Yam均為常數(shù)，通過對光纖溫度傳感器溫度響應(yīng)曲線進行多項式擬合得到山^匕、…、Iv1Ai均為常數(shù)，通過對光纖濕度傳感器濕度響應(yīng)曲線進行多項式擬合得到邱和i的取值視精度而設(shè)定，需求精度越高，m和i的取值越大。
【文檔編號】G01K11/32GK104006901SQ201410270251
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年6月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月17日
【發(fā)明者】楊明紅, 謝唯靜, 李冬文, 黃楚佳, 祁寵杰 申請人:武漢理工大學(xué)