CN101598609A

CN101598609A - 以ZnO薄膜为敏感元件的光纤温度测量方法及其光纤温度传感器

Info

Publication number: CN101598609A
Application number: CNA2009101004704A
Authority: CN
Inventors: 隋成华; 刘玉玲; 郑东; 蔡萍根
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2009-06-30
Filing date: 2009-06-30
Publication date: 2009-12-09

Abstract

一种以ZnO薄膜为敏感元件的光纤温度测量方法，利用电子束蒸发的方法，在蓝宝石光纤端面上生长一层结晶良好的ZnO薄膜，所述的ZnO薄膜作为温度敏感元件，通过检测透射光谱，观察吸收边移动实现温度测量。以及一种光纤温度传感器，所述光纤为蓝宝石光纤，在所述蓝宝石光纤端面上生长一层结晶良好的ZnO薄膜，所述所述的ZnO薄膜作为温度敏感元件。本发明能扩大测温范围、并同时适用于高温和低温测试。

Description

以ZnO薄膜为敏感元件的光纤温度测量方法及其光纤温度传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤温度测量方法及其光纤温度传感器。

背景技术

光纤温度传感器在工业生产，航天等领域有着广泛的应用前景。它采用探头和仪表分离，光纤做光路，增加了环境适应能力，因为光纤本身具有很多固有的优点，如长距离低损耗、易弯曲、体积小、重量轻、成本低、防水、放火、耐腐蚀、抗电磁干扰等。目前已出现多种光纤温度传感器。例如辐射型光纤温度传感器，其理论依据是普朗克辐射定律，它对高温物体具有很高的灵敏度，但无法应用于低温区域；荧光测温型光纤温度传感器，它是利用荧光寿命与温度对应关系来测量温度，但只适用于低温区；利用半导体晶体薄片(如砷化镓等)吸收光谱的温变特性制成的吸收式温度传感器，而该种传感器存在着结构复杂、制作成本较高，且测温范围相对较窄的不足。

发明内容

为了克服已有的光纤温度测量方法以及光纤温度传感器的测温范围较窄、不能同时适用于高温和低温测试的不足，本发明提供一种能扩大测温范围、并同时适用于高温和低温测试的以ZnO薄膜为敏感元件的光纤温度测量方法及其光纤温度传感器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种以ZnO薄膜为敏感元件的光纤温度测量方法，利用电子束蒸发的方法，在蓝宝石光纤端面上生长一层结晶良好的ZnO薄膜，所述的ZnO薄膜作为温度敏感元件，通过检测透射光谱，观察吸收边移动实现温度测量。

进一步，温度测量的区间为：10～1000K。

一种光纤温度传感器，所述光纤为蓝宝石光纤，在所述蓝宝石光纤端面上生长一层结晶良好的ZnO薄膜，所述所述的ZnO薄膜作为温度敏感元件。

本发明的技术构思为：利用电子束蒸发的方法，在蓝宝石光纤端面上生长一层结晶良好的ZnO薄膜，作为敏感元件，制备光纤温度传感器。

本发明实现大范围测温的原理如下：

研究表明，在10～1000K温度范围内，ZnO的禁带宽度能量E_g(T)与温度T的关系为：

E_g(T)＝E_g(0)+rT²/(T+β) (1)

上式(1)中：E_g(T)和E_g(0)分别是温度为TK和0K时半导体的禁带宽度能量，单位是eV；r和β是两个与材料有关的常量，单位分别是eVK^-1，K。半导体ZnO材料的吸收光谱随温度的变化而发生改变，一束光在通过ZnO材料时，材料会吸收一部分能量，当光子能量超过半导体禁带宽度E_g(T)时，所吸收光的波长如式(2)所示：

λ_{g} (T) = \frac{hc}{E_{g} (T)} - - - (2)

式中λ_g(T)是半导体的吸收边波长；h为普朗克常量；c为光速。由(1)和(2)得：

λ_{g} (T) = \frac{hc}{E_{g} (0) + r T^{2} / (T + β)} - - - (3)

半导体对光的吸收系数表示为：

I＝I₀exp(-αd) (4)

式中I和I₀分别为透射光强和入射光强；d为半导体材料厚度；ZnO的吸收系数α可表示为：

αhv＝C(hv-E_g)^1/2[hv＞E_g] (5)

式中，C是与材料有关的常数；hv为光子能量，E_g为材料的禁带宽度，随温度而变。

在C轴取向的蓝宝石光纤(熔点1799开尔文)端面生长ZnO薄膜(熔点1702开尔文)，通过检测透射光谱，观察吸收边移动实现温度的测量。

本发明的有益效果为：结构简单、操作方便、成本较低，测温范围广。同时，相比以往的强度调制型半导体光纤温度传感器易受光学损耗和光源微扰的影响，该传感器结构还有助于提高测量的准确性和可靠性。

附图说明

图1是光纤温度传感器的探头的结构图。

图2是光纤温度传感器测温实验装置图。

图3是不同温度下的透射谱线的示意图，其中纵坐标Transmittance是透射率，数值为百分数；横坐标为波长，单位为纳米。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施例1

温度测量的区间为：10～1000K。

图2是传感器测温实验装置图。在该测量装置中，由于ZnO薄膜的吸收波长主要是在360～380nm波段，所以光源201在紫外波段要有较强光强。光强太弱，就不能准确观察吸收边随温度变化情况。因此光源选择氘灯，它的光谱输出范围为260-900nm，可以提供从300nm到450nm的连续光谱。其中心波长423nm，带宽为170nm，最佳激发波长在紫外波段。从紫外可见光源发出来的稳定光强经过蓝宝石光纤和一层高质量的ZnO薄膜202，被放置在后面的光纤光谱仪204探测到，传到计算机205对测量的数据进行处理。探头端点是直接放在温度可以加热到最高温度为500摄氏度的可调节的加热块203中打好的孔内，通过记录不同温度下所得到光谱图，观察吸收边移动，并进一步得到透射光谱。考虑到温度的变化范围较宽，温度标定采用比较稳定的热电偶测温计(北京方圆传感器公司，型号：数显XSM)，测温范围0-500摄氏度，基本误差±0.02％，探头选择PT100型。将热电偶放在事先在加热块上打好的孔中，孔的位置尽量选择离ZnO薄膜探头较近的位置，以保证标定温度的可靠性。光纤光谱仪的选择也要充分考虑到ZnO光学吸收边的波长，因此要采用在380nm附近波段有较高响应度的光纤光谱仪，从而获得较大的光强输出。

图3为蒸镀在蓝宝石光纤端面上的ZnO薄膜在不同温度下的透射光谱，由图可看出ZnO薄膜具有陡峭的光学吸收边，在紫外波段有较强的光吸收，对应于ZnO禁带宽度的本征吸收。在其他测量参数(如压力、电场和磁场等)保持不变的情况下，随着测量温度的升高，ZnO薄膜吸收边发生了红移现象。随着波长的增加，ZnO薄膜的光学吸收迅速降低，在可见光波段具有较高的透射率，平均大于70％，这一损耗产生的主要原因是测量光路中增加了光纤/ZnO界面，引入了一部分反射损耗，但这些损耗对我们的测量结果影响可以忽略。

本领域的产业技术人员清楚，本发明的思想可一采用上面列举的具体实施方案以外的其它方式实现。

实施例2

参照图1～图3，一种光纤温度传感器，所述光纤为蓝宝石光纤，在所述蓝宝石光纤端面上生长一层结晶良好的ZnO薄膜，所述所述的ZnO薄膜作为温度敏感元件。

图1是光纤温度传感器的探头。利用电子束蒸发的方法，在约长15mm，直径0.980mm(0001)蓝宝石光纤101端面生长上一层结晶良好的ZnO薄膜102，作为敏感元件，制备光纤温度传感器。样品制备后，利用原子力显微镜和掠入射X射线衍射仪对蓝宝石光纤端面上ZnO薄膜样品的表面形貌和结构进行了测量和分析，其表面较为平整致密，粗糙度较小，其最大粗糙度约为5.8nm。光滑的表面形貌将使该薄膜在可见光区域具有较高的透射率。继而将其构建成基于ZnO薄膜温变特性的光纤温度传感器。

Claims

1、一种以ZnO薄膜为敏感元件的光纤温度测量方法，其特征在于：利用电子束蒸发的方法，在蓝宝石光纤端面上生长一层结晶良好的ZnO薄膜，所述的ZnO薄膜作为温度敏感元件，通过检测透射光谱，观察吸收边移动实现温度测量。

2、如权利要求1所述的以ZnO薄膜为敏感元件的光纤温度测量方法，其特征在于：温度测量的区间为：10～1000K。

3、一种用如权利要求1所述的以ZnO薄膜为敏感元件的光纤温度测量方法实现的光纤温度传感器，其特征在于：所述光纤为蓝宝石光纤，在所述蓝宝石光纤端面上生长一层结晶良好的ZnO薄膜，所述所述的ZnO薄膜作为温度敏感元件。