基于多孔薄膜的光纤温度传感器及其制备和测量方法技术

本发明专利技术提供基于多孔薄膜的光纤温度传感器，包括由纤芯和光纤包层构成的裸纤，裸纤一端端面镀有湿度敏感薄膜，另一端用于信号输出；裸纤外套有毛细玻璃管，毛细玻璃管的两端通过紫外固化胶固定密封，湿度敏感薄膜被密封在毛细玻璃管内部。将准备好的裸纤一端的端面置于物理气象沉积装置中进行镀膜，制备裸纤端面上的湿度敏感薄膜；取毛细玻璃管，将镀好膜的裸纤悬空放入毛细玻璃管中，两头用紫外固化胶固定封装；封装时记录环境及毛细玻璃管内的温、湿度，不能超过湿度敏感薄膜的敏感范围。该温度传感器具有微型化、可批量生产以及潜在低成本的优点；并且该温度传感器的制备方法简单，易于操作；利用该温度传感器进行温度测量准确。

【技术实现步骤摘要】
基于多孔薄膜的光纤温度传感器及其制备和测量方法
本专利技术属于光纤传感技术、材料科学以及光电子技术的交叉领域，具体涉及基于多孔薄膜的光纤温度传感器及其制备和测量方法。
技术介绍
近年来光纤传感器在许多领域得到广泛研究。而国防科技、航空航天、发电变电、纺织、食品、医药、仓储、农业等行业对湿度都有非常严格的要求，对湿度传感器的环境适应性以及测量范围、响应速度、测量精度等主要指标也越来越高。传统的电容式、电阻式等电量湿度传感器存在着长期稳定性和互换性差、不能在严重污染和强电磁干扰环境下工作，以及只能单点测量的严重不足。而光纤传感器因为具有体积小，重量轻，不受电磁干扰，光纤传输全光信号，易于集成等一系列的优点，而在如今传感器发展制作中备受关注。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：基于多孔薄膜的光纤温度传感器及其制备和测量方法，具有微型化、可批量生产以及潜在低成本的优点。本专利技术为解决上述技术问题所采取的技术方案为：基于多孔薄膜的光纤温度传感器，其特征在于：它包括由纤芯和光纤包层构成的裸纤，裸纤一端的端面镀有湿度敏感薄膜，裸纤的另一端用于信号输出；裸纤外套有毛细玻璃管，毛细玻璃管的两端通过紫外固化胶固定密封，毛细玻璃管与裸纤之间为空腔，湿度敏感薄膜被密封在毛细玻璃管内。按上述光纤温度传感器，所述的湿度敏感薄膜包含三层薄膜，依次为二氧化钛介质薄膜、纳米级微孔二氧化硅介质薄膜和二氧化钛介质薄膜。按上述光纤温度传感器，所述的二氧化钛介质薄膜的厚度为120-250nm，纳米级微孔二氧化硅介质薄膜的厚度为二氧化钛薄膜的8-10倍，具体可根据对反射光谱的实际要求设计具体膜厚及比例。上述基于多孔薄膜的光纤温度传感器的制备方法，其特征在于：将准备好的裸纤一端的端面置于物理气象沉积装置中进行镀膜，制备裸纤端面上的湿度敏感薄膜；取一段毛细玻璃管，将镀好膜的裸纤悬空放入毛细玻璃管中，两头用紫外固化胶固定封装；封装时记录环境及毛细玻璃管内的温、湿度，不能超过湿度敏感薄膜的敏感范围。按上述制备方法，镀膜具体步骤为：将裸纤光滑的端面朝向物理气象沉积装置的靶材，采用真空蒸镀技术在端面依次蒸镀三层薄膜，分别依次为二氧化钛介质薄膜、纳米级微孔二氧化硅介质薄膜和二氧化钛介质薄膜，蒸镀膜料分别依次为纯度为99.99％的Ti3O5颗粒、SiO2颗粒和Ti3O5颗粒，粒度为3-5mm，蒸镀机腔体真空度为0.03Pa，总充入氧气量为150-160sccm，蒸镀速率分别依次为和按上述制备方法，所述的二氧化钛介质薄膜的厚度为120-250nm，纳米级微孔二氧化硅介质薄膜的厚度为二氧化钛薄膜的8-10倍，薄膜的厚度由晶振片监控。按上述制备方法，取市售通讯多模光纤，包括纤芯和光纤包层构成的裸纤，包层外设有涂敷层，涂敷层外设有护套；剥去市售通讯多模光纤一端的护套和涂敷层，露出长度为3-6cm裸纤，将裸纤一端端面切平，仅保留长0.5-2cm，即构成所述的准备好的裸纤。一种温度测量系统，其特征在于：它包括上述基于多孔薄膜的光纤温度传感器，光纤温度传感器的信号输出端与光纤耦合器的合路端连接，光纤耦合器还包括2个分路端，分别与宽带光源和光谱仪连接，光谱仪的数据端与处理器连接。按上述温度测量系统，所述的光纤温度传感器至少2个，它们的信号输出端通过光开关与光纤耦合器的合路端连接。基于上述温度测量系统实现的温度测量方法，其特征在于：它包括以下步骤：接收光纤温度传感器传递来的光谱信息，绘制以波长为横坐标、反射强度为纵坐标的光谱图；读取指定光波谷的波长值λ，利用温度标定关系式计算温度值T：T＝a0+a1*λ+a2*λ2+…+an-1*λn-1+an*λn,其中a0、a1,…、an-1、an均为常数，通过对光纤温度传感器温度响应曲线进行多项式拟合得到，n的取值视精度而设定，需求精度越高，n的取值越大。一种温湿度测量系统，其特征在于：它包括权利要求1所述的基于多孔薄膜的光纤温度传感器，还包括光纤湿度传感器，光纤温度传感器和光纤湿度传感器的信号输出端通过光开关与光纤耦合器的合路端连接，光纤耦合器还包括2个分路端，分别与宽带光源和光谱仪连接，光谱仪的数据端与处理器连接；所述的光纤湿度传感器包括由纤芯和光纤包层构成的裸纤，裸纤一端的端面镀有湿度敏感薄膜，裸纤的另一端用于信号输出。基于上述温湿度测量系统实现的温湿度测量方法，其特征在于：它包括以下步骤：分别接收光纤温度传感器和光纤湿度传感器传递来的光谱信息，分别绘制以波长为横坐标、反射强度为纵坐标的光谱图；读取指定光波谷的波长值λT、λH，利用温度标定关系式计算温度值T：T＝a0+a1*λT+a2*λT2+…+am-1*λTm-1+am*λTm；利用湿度标定关系式计算相对湿度值RH：RH＝b0+b1*λH+b2*λH2+…+bi-1*λHi-1+bi*λHi；其中λT为从光纤温度传感器反馈光谱中读取的波长,λH为从光纤湿度传感器反馈光谱中读取的波长；a0、a1、…、am-1、am均为常数，通过对光纤温度传感器温度响应曲线进行多项式拟合得到；b0、b1、…、bi-1、bi均为常数，通过对光纤湿度传感器湿度响应曲线进行多项式拟合得到；m和i的取值视精度而设定，需求精度越高，m和i的取值越大。本专利技术的有益效果为：1、通过蒸镀工艺直接在一段裸纤的端面上制作一个具有多层结构的湿度敏感薄膜，从而构成一个外腔式的光纤Fabry-Perot干涉腔，环境相对湿度的增大，使湿度敏感薄膜吸附水分子增多，从而导致薄膜的等效折射率变大、干涉腔光学长度变长，表现在干涉光谱上则是光谱向长波方向移动，通过检测指定光波谷所对应的波长值的变化便可实现对环境湿度的测量；利用密闭环境内相对湿度随温度变化而改变的原理，封装制备了基于此湿度敏感薄膜的光纤温度传感器；该温度传感器具有微型化、可批量生产以及潜在低成本的优点；并且该温度传感器的制备方法简单，易于操作；利用该温度传感器进行温度测量准确。2、通常在测量湿度的时候，会因为温度的变化而影响测量精度，利用该温度传感器与湿度传感器一起进行温湿度的测量，不仅能够同时测量温度和湿度，而且能够对测得的湿度值进行温度补偿，提高测量精度。附图说明图1为本专利技术一实施例的光纤温度传感器的结构示意图。图2为本专利技术一实施例的光纤湿度传感器的结构示意图。图3为本专利技术一实施例的温湿度测量系统框图。图4为本专利技术一实施例的光纤温度传感器的光谱图。图中：1.二氧化钛介质薄膜，2.多孔二氧化硅介质薄膜，3.光纤包层，4.纤芯，5.紫外固化胶，6.光纤涂敷层，7.毛细玻璃管，8.宽带光源，9.光谱仪，10.光纤耦合器，11.光开关，12.光纤湿度传感器，13.光纤温度传感器。具体实施方式下面结合具体实例和附图对本专利技术做进一步说明。如图1和图2所示，本实施例提供的基于多孔薄膜的光纤湿度传感器包括由纤芯4和光纤包层3构成的裸纤，裸纤一端的端面镀有湿度敏感薄膜，裸纤的另一端用于信号输出。基于多孔薄膜的光纤温度传感器包括由纤芯4和光纤包层3构成的裸纤，裸纤一端的端面镀有湿度敏感薄膜，裸纤的另一端用于信号输出；裸纤外套有毛细玻璃管7，毛细玻璃管7的两端通过紫外固化胶5固定密封，毛细玻璃管7与裸纤之间为空腔，湿度敏感薄膜被密封在毛细玻璃管7内。湿度敏感薄膜包含三层薄膜，依本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于多孔薄膜的光纤温度传感器，其特征在于：它包括由纤芯和光纤包层构成的裸纤，裸纤一端的端面镀有湿度敏感薄膜，裸纤的另一端用于信号输出；裸纤外套有毛细玻璃管，毛细玻璃管的两端通过紫外固化胶固定密封，毛细玻璃管与裸纤之间为空腔，湿度敏感薄膜被密封在毛细玻璃管内。

【技术特征摘要】
1.基于多孔薄膜的光纤温度传感器，其特征在于：它包括由纤芯和光纤包层构成的裸纤，裸纤一端的端面镀有湿度敏感薄膜，裸纤的另一端用于信号输出；裸纤外套有毛细玻璃管，毛细玻璃管的两端通过紫外固化胶固定密封，毛细玻璃管与裸纤之间为空腔，湿度敏感薄膜被密封在毛细玻璃管内。2.根据权利要求1所述的基于多孔薄膜的光纤温度传感器，其特征在于：所述的湿度敏感薄膜包含三层薄膜，依次为二氧化钛介质薄膜、纳米级微孔二氧化硅介质薄膜和二氧化钛介质薄膜。3.根据权利要求2所述的基于多孔薄膜的光纤温度传感器，其特征在于：所述的二氧化钛介质薄膜的厚度为120-250nm，纳米级微孔二氧化硅介质薄膜的厚度为二氧化钛介质薄膜的8-10倍。4.如权利要求1所述的基于多孔薄膜的光纤温度传感器的制备方法，其特征在于：将准备好的裸纤一端的端面置于物理气象沉积装置中进行镀膜，制备裸纤端面上的湿度敏感薄膜；取一段毛细玻璃管，将镀好膜的裸纤悬空放入毛细玻璃管中，两头用紫外固化胶固定封装；封装时记录环境及毛细玻璃管内的温、湿度，不能超过湿度敏感薄膜的敏感范围。5.根据权利要求4所述的基于多孔薄膜的光纤温度传感器的制备方法，其特征在于：镀膜具体步骤为：将裸纤光滑的端面朝向物理气象沉积装置的靶材，采用真空蒸镀技术在端面依次蒸镀三层薄膜，依次为二氧化钛介质薄膜、纳米级微孔二氧化硅介质薄膜和二氧化钛介质薄膜，蒸镀膜料依次为纯度为99.99％的Ti3O5颗粒、SiO2颗粒和Ti3O5颗粒，粒度为3-5mm，蒸镀机腔体真空度为0.03Pa，总充入氧气量为150-160sccm，蒸镀速率分别依次为和6.根据权利要求5所述的基于多孔薄膜的光纤温度传感器的制备方法，其特征在于：所述的二氧化钛介质薄膜的厚度为120-250nm，纳米级微孔二氧化硅介质薄膜的厚度为二氧化钛薄膜的8-10倍，薄膜的厚度由晶振片监控。7.根据权利要求4或5或6所述的基于多孔薄膜的光纤温度传感器的制备方法，其特征在于：取市售通讯多模光纤，包括纤芯和光纤包层构成的裸纤，包层外设有涂敷层，涂敷层外设有护套；剥去市售通讯多模光纤一端的护套和涂敷层，露出长度为3-6cm裸纤，将裸纤一端端面切平，仅保留0.5-2cm长，即构成所述的准备好的裸纤。8.一种温度测量系统，其特征在于：它包括权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨明红，谢唯静，李冬文，黄楚佳，祁宠杰，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42