CN101881672A - 一种反射式光纤温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反射式光纤温度传感器，包括套管、位于套管一端的蓝宝石等腰直角三棱镜和位于套管另一端的凸透镜。蓝宝石等腰直角三棱镜的斜边面为C轴取向且朝向套管的内侧，蓝宝石等腰直角三棱镜的斜边面上设有ZnO薄膜。凸透镜的光轴垂直于蓝宝石等腰直角三棱镜的斜边面，其与蓝宝石三棱镜的斜边面的交点大致位于蓝宝石三棱镜的斜边面中心。凸透镜相对于蓝宝石等腰直角三棱镜的另一侧设有用于传输光线的光纤，光纤的端面位于凸透镜的焦点处。该光纤温度传感器的测温范围为10～1800K。本发明结构简单、操作方便、成本较低、测温范围广，有较好的测量准确性和稳定性。

Description

一种反射式光纤温度传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种反射式光纤温度传感器。

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。它的探头和仪表分离，采用光纤作为光路，能在恶劣环境下进行非接触式、非破坏性以及远距离测量，增加了传感器的环境适应能力，并利用了光纤本身具有的优点，如长距离低损耗、易弯曲、体积小、重量轻、成本低、防水、防火、耐腐蚀、抗电磁干扰等。同时，它还便于与计算机相连，实现智能化和远距离监控，不少情况下能够完成传统传感器很难完成甚至不能完成的任务。

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；吸收式温度传感器，它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，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。这些传感器的测温系统大多采用光强调制的方式，光源和光探测器性能的稳定和光纤耦合效率变动对这些系统测量精度影响非常大。

中国专利CN101598609A公开了一种光纤温度传感器，在蓝宝石光纤的端面上蒸镀一层ZnO薄膜作为温度敏感元件，其测温范围为10～1000K。但是这种光纤温度传感器在实际测温时需要和普通石英光纤耦合，不可避免地存在多处端面损耗从而降低了总耦合效率。此外该光纤温度传感器由于采用了透射式光路，在实际测量中，光源和光探测装置必须分置在传感器的两端，这种检测光路的配置方式在多数测试环境下难以实现，不利于做成可随意安插于所需测温环境中的便携式产品。

发明内容

本发明针对传统光纤温度传感器的上述缺点，提供了一种集高温和低温测试功能为一体的反射式光纤温度传感器。

一种反射式光纤温度传感器，包括套管、位于套管一端的蓝宝石等腰直角三棱镜和位于套管另一端的凸透镜，所述的蓝宝石等腰直角三棱镜的斜边面朝向套管的内侧，蓝宝石等腰直角三棱镜的斜边面上设有ZnO薄膜；凸透镜相对于蓝宝石等腰直角三棱镜的另一侧设有用于传输光线的光纤，光纤的端面与凸透镜的距离为凸透镜的焦距，光纤的端面位于凸透镜的焦点处；

所述的凸透镜的光轴垂直于蓝宝石等腰直角三棱镜的斜边面，凸透镜的光轴与蓝宝石等腰直角三棱镜的斜边面的交点大致位于蓝宝石等腰直角三棱镜的斜边面的中心；蓝宝石等腰直角三棱镜熔点为2318K，ZnO薄膜的熔点为2248K，使得该反射式光纤温度传感器的测温范围为10～1800K(-263～1527℃)，可以满足一般实际工况下高、低温测量要求。

所述的蓝宝石等腰直角三棱镜的斜边面的晶轴取向为(0001)，由于(0001)晶向的蓝宝石(Al₂O₃)具有与ZnO相同的六方纤锌矿晶体结构，与ZnO热匹配相对较好，作为生长基底容易得到大尺寸、高质量的ZnO薄膜。

优选的，所述的套管和凸透镜均为蓝宝石材质，由于蓝宝石和ZnO一样具有耐高温和化学性能稳定等优点，在经过高、低温前后光谱曲线几乎没有任何变化。此外，蓝宝石的光学吸收边在可见波段，ZnO薄膜的光学吸收边在紫外(360-380nm)波段，两者不会相互影响，可有效地减小损耗，提高测量精度。

实际测量时，凸透镜一侧的光纤连接光源和光线探测装置、数据采集分析装置，由于光纤的直径相对于凸透镜的表面积很小，对于凸透镜，光纤的端面可以等效为一个点光源。由于光纤的端面与凸透镜的距离为凸透镜的焦距，并位于凸透镜的焦点处，光纤端面发出的光线经凸透镜后，变成与凸透镜的光轴相平行的光线，并垂直于蓝宝石等腰直角三棱镜的斜边面入射。由于蓝宝石的折射率为1.762～1.770，其临界角为34.4～34.6°，进入蓝宝石等腰直角三棱镜对两个直角边面的入射角均为45°，超过了蓝宝石的临界角，而在两个直角边面都会发生全反射。在两个直角边面发生全发射后，以平行光的形式垂直于斜边面出射，经凸透镜的汇聚作用，汇聚到凸透镜焦点处的光纤端面，并由数据采集装置接收。

本发明采用三棱镜改变光路的原理，将经ZnO薄膜吸收后的透射光转换至跟入射光在传感器的同一侧，使得光源和光线探测装置均可设置于传感器的同侧，有利于在一些特殊的测温场合(如对液面、地表温度的检测)安置检测光路。同时采用三棱镜、凸透镜、位于凸透镜焦点的光纤端面相配合的结构不仅有效降低了入射光的发散损耗，提高了光源利用率，且易于做成便携式微型化产品，只要配合适当的光源及光谱仪即可置于各种环境场合中进行温度测量。

本发明的测温原理是基于ZnO薄膜的光学吸收温变特性。ZnO为一种半导体材料，其禁带宽度会随着温度而变化。当有光线通过ZnO薄膜时，ZnO薄膜会吸收光线中能量超过其禁带宽度的光子能量，使光线的光强减弱。在不同的温度下，由于ZnO薄膜的禁带宽度不同而使得光线光强的变化也不同。通过测量入射光线和经ZnO薄膜吸收后的透射光线之间光强，可以推算出环境温度。

在10～1800K温度范围内，ZnO的禁带宽度能量Eg(T)与温度T的关系为：

E_g(T)＝E_g(0)+rT²/(T+β)             (1)

式(1)中，E_g(T)和E_g(0)分别是温度为TK和0K时ZnO的禁带宽度，单位是eV，r和β是两个与ZnO材料本身有关的常量，单位分别是eVK^-1、K。ZnO所吸收的光的波长为：

${\mathrm{\λ}}_g\left(T\right)=\frac{\mathrm{hc}}{E_g\left(T\right)}---\left(2\right)$

式(2)中，λ_g(T)是ZnO的吸收边波长，h为普朗克常量，c为光速。由(1)和(2)可知：

${\mathrm{\λ}}_g\left(T\right)=\frac{\mathrm{hc}}{E_g\left(0\right)+{\mathrm{rT}}^2/(T+\mathrm{\β})}---\left(3\right)$

入射光光强I₀与经ZnO薄膜吸收后的透射光光强I之间的关系为：

I＝I₀exp(-αd)                     (4)

式(4)中，α为ZnO薄膜的吸收系数，d为ZnO薄膜的厚度。α可表示为：

αhv＝A(hv-E_g)^1/2[hv＞E_g]           (5)

式(5)中，A是与ZnO材料本身有关的常数，hv为被ZnO吸收的光子能量，E_g为ZnO的禁带宽度，它随温度而变化。由式(5)可以看出，(αhv)²与hv成线性关系。用T_g表示ZnO薄膜的透射率，则从根据公式(4)可推导出：

$\mathrm{\α}=-\frac{\ln I/I_0}{d}=-\frac{\ln T_R}{d}---\left(6\right)$

以hv为x轴、以(αhv)²为y轴画出(αhv)²-hv关系曲线，此曲线近似为一条直线，将此直线外推延长至x轴即可确定禁带宽度E_g，并根据式(1)确定温度。

本发明的优点在于其结构简单、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稳定性。

附图说明

图1是实施例中一种反射式光纤温度传感器的结构示意图；

图2是实施例中制备的ZnO薄膜的AFM图像；

图3是实施例中制备的ZnO薄膜的XRD图像；

图4是实施例中进行测温的实验装置图；

图5是ZnO薄膜禁带宽度与温度关系拟合曲线。

具体实施方式

如图1所示，一种反射式光纤温度传感器，包括蓝宝石套管3、位于蓝宝石套管3一端的蓝宝石等腰直角三棱镜1和位于蓝宝石套管3另一端的蓝宝石凸透镜4，蓝宝石等腰直角三棱镜1的斜边面的晶轴取向为(0001)，且蓝宝石等腰直角三棱镜1的斜边面朝向套管3的内侧，蓝宝石等腰直角三棱镜1的斜边面上镀有ZnO薄膜2，ZnO薄膜2的晶轴取向为(0002)，厚度约为500nm；

蓝宝石凸透镜4相对于蓝宝石等腰直角三棱镜1的另一侧设有用于传输光线的光纤5，光纤5的端面6位于蓝宝石凸透镜4的焦点处；

蓝宝石凸透镜4的光轴垂直于蓝宝石等腰直角三棱镜1的斜边面，蓝宝石凸透镜的光轴与蓝宝石等腰直角三棱镜1的斜边面的交点位于蓝宝石等腰直角三棱镜1的斜边面的中心。

本实施例中ZnO薄膜的制备方法为：

(1)将蓝宝石三棱镜用无水乙醇超声清洗1次，用去离子水超声清洗3次，每次超声清洗后用去离子水反复冲洗，去除表面无机物和有机物；

(2)将蓝宝石三棱镜置于比例为H₂SO₄∶H₃PO₄＝3∶1(体积比)的混合溶液中水浴加热到80℃浸泡15分钟，以去除表面油污及其他污染物；

(3)将蓝宝石三棱镜用去离子水反复冲洗6次并以99.999％的高纯氮气吹干，迅速放入镀膜机的真空室中的基座上。镀膜机采用北京北仪创新真空技术有限责任公司生产的ZZSX-500D型镀膜机。靶材采用高纯ZnO粉末(99.99％)经研磨、锻压、在1350℃下烧结12小时制成的ZnO陶瓷。将镀膜机的真空室抽至1.0×10^-3Pa，将基座加热至200℃，并恒温生长1小时，在蓝宝石三棱镜的斜边面上生成一层厚度约为500nm的ZnO薄膜。

用原子力显微镜(AFM)观察ZnO薄膜的表面形貌，如图2所示。测试仪器为日本精工株式会社生产的SPA400型原子力显微镜。观测样品的区间为5.0μm×5.0μm。从图2可以看出，利用电子束蒸发技术所制备的纳米级ZnO薄膜表面比较平整致密，粗糙度小，其最大粗糙度约为7.323nm，颗粒大小为100nm到200nm之间。光滑的表面形貌将使该ZnO薄膜在可见光区域具有较高的透射率。

用XRD测试ZnO薄膜的衍射图谱，如图3所示，测试仪器为荷兰帕纳科公司生产的X′PERT PRO型多功能X射线衍射仪，波长为0.15418nm。图3中，B为半高宽，可以看出，二倍衍射角为34.588°的ZnO(0002)晶面的衍射峰非常强，说明生长的ZnO薄膜具有明显的C轴择优取向性。在生长过程中，(0002)晶面不断生长，从而抑制其它晶面的生长。合适的基底材料和生长温度的选择，保证了吸附的ZnO原子有适当的能量和时间迁移到能量较低的(0002)晶格位置。

图4是使用图1所示反射式光纤温度传感器进行测温的实验装置图。由于ZnO薄膜2的吸收波长主要是在360～380nm波段，该波段为紫外线波段，因此所采用的光源在紫外波段要有较强光强。光强太弱，就不能准确观察ZnO薄膜2的吸收边随温度变化情况。光源选择光纤耦合式多LED组合光源，它具有多个波长的光强输出，可以提供从300～450nm的连续光谱，其最佳激发波长在紫外波段。

光源发出的激励光经Y型耦合器一端进入温度传感器的光纤5，由于光纤5的端面6位于蓝宝石凸透镜4的焦点处，这些光线经过蓝宝石凸透镜4后变成平行光线，并垂直于蓝宝石等腰直角三棱镜1的斜边面入射。在蓝宝石等腰直角三棱镜1的两个直角边面发生全发射后，以平行光的形式垂直于斜边面出射，经蓝宝石凸透镜4的汇聚作用，汇聚到蓝宝石凸透镜4焦点处的端面6。这些经过镀于蓝宝石等腰直角三棱镜1的斜边面上ZnO薄膜2两次吸收的光线经Y型耦合头的另一端被光纤光谱仪探测到，并传送到计算机上进行数据处理。

光纤光谱仪的选择也要充分考虑到ZnO薄膜2的光学吸收边波长，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。实验中采用的光纤光谱仪为美国海洋公司生产的USB4000光纤光谱仪。

图5为ZnO薄膜的禁带宽度与温度关系的实验数据拟合图。通过数据拟合发现，ZnO薄膜的禁带宽度与温度之间的关系基本呈现线性关系，线性度达到98.3％以上，并满足方程E_g(T)＝E_g(0)+bT，E_g(0)＝3.4086eV，b为拟合常数，等于-5.0158×10^-4K^-1。该实验结果进一步证明该反射式光纤温度传感器测量的可靠性。

Claims (10)

1.一种反射式光纤温度传感器，其特征在于，包括套管、位于套管一端的蓝宝石等腰直角三棱镜和位于套管另一端的凸透镜，所述的蓝宝石等腰直角三棱镜的斜边面朝向套管的内侧，蓝宝石等腰直角三棱镜的斜边面上设有ZnO薄膜。

2.根据权利要求1所述的反射式光纤温度传感器，其特征在于，所述的蓝宝石等腰直角三棱镜斜边面的晶轴取向为(0001)。

3.根据权利要求1所述的反射式光纤温度传感器，其特征在于，所述的ZnO薄膜的晶轴取向为(0002)。

4.根据权利要求1所述的反射式光纤温度传感器，其特征在于，所述的凸透镜的光轴垂直于所述的蓝宝石等腰直角三棱镜的斜边面。

5.根据权利要求4所述的反射式光纤温度传感器，其特征在于，所述的凸透镜的光轴与所述的蓝宝石等腰直角三棱镜的斜边面的交点大致位于蓝宝石等腰直角三棱镜的斜边面的中心。

6.根据权利要求1所述的反射式光纤温度传感器，其特征在于，所述的套管为蓝宝石材质。

7.根据权利要求1所述的反射式光纤温度传感器，其特征在于，所述的凸透镜为蓝宝石材质。

8.根据权利要求5所述的反射式光纤温度传感器，其特征在于，所述的凸透镜相对于蓝宝石等腰直角三棱镜的另一侧设有用于传输光线的光纤，光纤的端面位于凸透镜的焦点处。

9.根据权利要求8所述的反射式光纤温度传感器，其特征在于，光线垂直于蓝宝石等腰直角三棱镜的斜边面入射，并在两个直角边面上发生全反射。

10.根据权利要求1～9所述的任一种反射式光纤温度传感器，其特征在于，所述的反射式光纤温度传感器的测温范围为10～1800K。

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