一种基于石墨烯光纤的分布式光纤温度传感系统技术方案

本发明专利技术属于光学器件和传感技术领域，具体涉及一种基于石墨烯光纤的分布式光纤温度传感系统。本发明专利技术利用石墨烯超高的热导率和辨温精度以及因无带隙的特殊结构而具有的响应速度快的特性，结合光纤传感技术和材料加工的先进工艺，制作了一种石墨烯光纤，并基于此设计了基于石墨烯光纤的分布式光纤温度传感系统，能显著提高分布式光纤温度传感器的温度灵敏度、测温精度和温度响应速度。相比现有普通光纤的分布式光纤温度传感器其温度响应速度有极大的提升。本发明专利技术成本低、易于制作，能够大量制作并广泛应用于光纤传感网络中，投入到物联网市场中去，在化学生产、环境监测等领域的温度检测方面具有重要的应用价值。度检测方面具有重要的应用价值。度检测方面具有重要的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于石墨烯光纤的分布式光纤温度传感系统


[0001]本专利技术属于光学器件和传感
，涉及一种基于石墨烯光纤的分布式光纤温度传感系统，具体涉及光纤传感技术。

技术介绍

[0002]近年来汽车电子、消费电子行业的快速增长带动了我国温度传感器需求的快速增长。温度传感器用途十分广阔，可用作温度测量与控制、温度补偿、流速、流量和风速测定、液位指示、紫外光和红外光测量、微波功率测量等而被广泛的应用于电子设备、生活用品、交通运输、环境探测和工业温度监测等领域。因此，作为感官和信号输入部分之一的温度传感器必不可少且需要具有很高的灵敏度，很快的响应速度，很高的测温精度，较强的抗磁干扰能力，并且能够量产，性价比要高等。
[0003]石墨烯是一种呈蜂窝状晶格排列的单原子层二维碳单质材料，由于其无带隙的独特结构，石墨烯具有超高电导率、极高的热导性和热稳定性等，被认为在导热材料、传感器等领域具有巨大的潜在应用前景。当代光电子学中对改进热界面材料的强烈需求激发了人们对石墨烯研究的广泛兴趣。相比于传统热界面材料的填料：银，需要添加到70vol％,热导率才能达到1
‑
5W/mK；而具有超高热导率的石墨烯材料由于其特殊的几何尺寸和与基体优异的耦合能力，被认为是最理想的热界面材料的填料。例如添加1wt％的石墨烯就可以使整个复合材料热导率增加一倍。基于以上石墨烯优异的热学性能，石墨烯材料应用于光纤温度传感系统具有很大的前景。
[0004]温度传感器种类繁多，在半导体技术的支持下，相继产生了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器等。其中，光纤温度传感器由于其优越的性能备受关注，光纤温度传感器采用的原理、结构和式样最多，并且具有测量精度高、温度灵敏度高、抗电磁干扰、安全防爆、可绕型好、防腐蚀、可组成光纤传感网络等优点。现有的光纤温度传感器主要有分布式光纤温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧光温度传感器和光纤光栅温度传感器等。
[0005]不同种类的光纤温度传感器分别具有其特有的优点和不足，其中分布式光纤温度传感器由于其可以实现长距离、大范围的检测而被广泛使用，但随着应用场景的逐渐复杂化，其空间分辨率和测量不确定度有待提升。除了技术实现以外，分布式光纤温度传感器的温度传感性能还取决于光纤的本征特性，受到光纤导热性能的限制。然而，目前的分布式光纤温度传感器多使用普通石英光纤，普通石英光纤的热导率较低通常小于2Wm
‑1K
‑1，使光纤温度传感器的传感性能受到限制，现有的分布式光纤温度传感器大多存在温度灵敏度较低、温度响应速度较慢、测温精度较低等缺点，因此实现大规模的市场应用存在较大的缺陷。

技术实现思路

[0006]针对上述存在问题或不足，为提高现有分布式光纤温度传感器温度灵敏度、温度
响应速度和测温精度，增强分布式光纤温度传感器的温度传感功能，本专利技术提供了一种基于石墨烯光纤的分布式光纤温度传感系统，有效提高了分布式光纤温度传感器的温度传感功能，具有灵敏度高、响应速度快、测温精度高的优点，且本专利技术价格便宜、易于制作，利于投入应用在现有的光纤传感网络中去。
[0007]一种基于石墨烯光纤的分布式光纤温度传感系统，包括普通光纤、石墨烯光纤、基于Phase
‑
OTDR的分布式光纤振动解调仪。
[0008]所述普通光纤的长度为5cm～80cm，用于连接石墨烯光纤与基于Phase
‑
OTDR的分布式光纤振动解调仪；
[0009]所述石墨烯光纤是将石墨烯涂料均匀喷涂在普通光纤涂覆层外构成；
[0010]所述基于Phase
‑
OTDR的分布式光纤振动解调仪内部有超窄线宽激光器，能够发出窄带光脉冲，通过解调出石墨烯光纤所处待测环境温度的变化导致的光脉冲相位差的变化信息来定量的还原出外界的温度变化实现温度传感。
[0011]进一步的，所述石墨烯光纤的石墨烯涂料为单层石墨烯与丙烯酸酯聚合物。
[0012]进一步的，所述石墨烯光纤是将石墨烯涂料喷涂在拉制并涂覆完成的普通光纤涂覆层表面制成，其中掺入的单层石墨烯浓度为10％～80％。所制石墨烯光纤的导热能力会随着掺入石墨烯浓度的增加而增加所制石墨烯光纤的导热能力会随着喷涂石墨烯涂料的厚度增加而增加。
[0013]进一步的，所述石墨烯光纤喷涂的石墨烯涂料厚度为10μm～20μm。
[0014]进一步的，所述石墨烯光纤根据具体测试环境设置不同长度，具体而言，在短距离温度测试环境下，石墨烯光纤长度最短可为1m；在长距离温度测试环境下例如油井、道路、桥梁，石墨烯光纤长度可生产至km级。
[0015]进一步的，所述Phase
‑
OTDR的分布式光纤振动解调仪内部的超窄线宽激光器沿普通光纤向长度为L的石墨烯光纤注入窄带光脉冲，此时光脉冲的相位差为：
[0016][0017]其中，β是光的传输常数，当待测环境的温度发生改变时，热膨胀、热光效应和泊松效应使石墨烯光纤的长度、折射率和直径发生改变；则随着待测环境温度的变化，光脉冲的相位差随之发生变化，所发生的变化量表示为：
[0018][0019]其中，n为纤芯的折射率和D为纤芯的直径，通过处理Phase
‑
OTDR的分布式光纤振动解调仪解调出的相位差变化信息定量的反映出待测环境的温度变化，实现温度传感。
[0020]本专利技术基于石墨烯光纤的分布式光纤温度传感系统，利用石墨烯超高的热导率、与基体优异的耦合能力及石墨烯无带隙的特殊结构而具有的响应速度快的特性，极大缩短了传感的响应时间，响应速度相比基于普通石英光纤的分布式光纤温度传感系统提高了15倍以上，将所制石墨烯光纤应用在分布式光纤温度传感器中，解决了分布式光纤温度传感器因光纤本身温度传感性能而受到限制的问题，显著提高了分布式光纤温度传感器的温度传感功能。
[0021]综上所述，本专利技术提出的基于石墨烯光纤的分布式光纤温度传感系统，温度灵敏度高、温度响应速度快、测温精度高、易于制作、价格便宜，可投入应用在现有的光纤传感网
络中去，在现有的物联网市场有很强的应用前景。
附图说明
[0022]图1是本专利技术的结构示意框图；
[0023]图2是石墨烯光纤的端面结构示意图；
[0024]图3是石墨烯光纤的端面实物图；
[0025]图4是石墨烯光纤的侧面图；
[0026]图5是石墨烯光纤的快速导热特性和导热精度实验结果图；
[0027]图6是本专利技术与现有普通分布式光纤温度传感系统的测温实验结果对比图。
具体实施方式
[0028]下面将结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步的详细描述。
[0029]图1所示为本专利技术的结构示意图一种基于石墨烯光纤的分布式光纤温度传感系统，包括有基于Phase
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OTDR的分布式光纤振动解调仪1、普通光纤2和石墨烯光纤3。
[0030]本专利技术的工作原理为：基于Phase本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯光纤的分布式光纤温度传感系统，其特征在于：包括普通光纤、石墨烯光纤、基于Phase
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OTDR的分布式光纤振动解调仪；所述普通光纤的长度为5cm～80cm，用于连接石墨烯光纤与基于Phase
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OTDR的分布式光纤振动解调仪。所述石墨烯光纤是将石墨烯涂料均匀喷涂在普通光纤涂覆层外构成。所述基于Phase
‑
OTDR的分布式光纤振动解调仪内部有超窄线宽激光器，能够发出窄带光脉冲，通过解调出石墨烯光纤所处待测环境温度的变化导致的光脉冲相位差的变化信息来定量的还原出外界的温度变化实现温度传感。2.如权利要求1所述基于石墨烯光纤的分布式光纤温度传感系统，其特征在于：所述石墨烯光纤的石墨烯涂料为单层石墨烯与丙烯酸酯聚合物。3.如权利要求2所述基于石墨烯光纤的分布式光纤温度传感系统，其特征在于：所述石墨烯光纤是将石墨烯涂料喷涂在拉制并涂覆完成的普通光纤涂覆层表面制成，其中掺入的单层石墨烯...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭义勇，姚佰承，韩冰，杜俊廷，饶云江，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：