CN103134614B - 光纤型金属薄膜温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种光纤型金属薄膜温度传感器，包括光波万用表和光纤，光纤连接在光波万用表上，在光纤上串接有光纤型光学温度感知装置，还具有光源以及连接点，所述光纤型光学温度感知装置是金属纳米薄膜温度感应装置，其结构是：包括两段由芯层和外面的包层构成的光纤载体，在两段光纤载体之间具有一个连接区，在连接区内设有金属纳米薄膜连接两芯层，所述金属纳米薄膜为复合热敏光学薄膜，所述复合热敏光学薄膜是在光学材料基底上多次喷涂纳米金属膜形成的多层金属复合薄膜或者是在光学材料基底上多次喷涂纳米金属膜且多层纳米金属膜之间还喷涂其他介质膜形成的多层复合薄膜。本发明适用温度范围宽，无电火花，灵敏度高，应用灵活。

Description

光纤型金属薄膜温度传感器

技术领域

本发明涉及一种光学温度传感器，尤其是一种光纤型金属薄膜温度传感器。

背景技术

目前一般温度的传感器从传感介质的性质上大致可分为热胀冷缩型温度传感器（如常用的液体温度计，双金属片温度计等）、电阻率温度传感器（如铂金温度传感器，半导体温度传感器等）、相变温度传感器（液晶温度传感器等）等。

这些温度传感器中，存在着一定的应用局限，主要表现为以下几个方面中的一种或多种情况：

1．测量范围小，如液体温度计和液晶温度计等通常只有几十到一二百摄氏度范围。

2．价格相对昂贵，如铂金温度计等贵金属温度计。

3．体积较大，不适用于部分对空间占用敏感的应用环境，比如集成电路板卡甚至芯片的分布式温度检测，飞机机翼表面的预埋分布式温度检测等等。

4．不适应于易燃易爆环境，比如油罐油井，矿井矿山等应用环境的温度检测等。

现在有部分光纤型温度传感器，其结构包括光探测器和光源，主要采用光散射热敏光纤或光纤光栅制成传感器。如光纤光栅温度传感器，中间部分利用了光纤光栅。但现有的这些设备存在检测温度范围窄（多在三四百摄氏度以下）、容易受到应力和形变因素的影响和干扰的缺陷。因为现有设备如光纤光栅温度传感器，其光学器件——光纤光栅的折射率调制并不稳定，在高温环境下会逐渐退化，当温度高于200摄氏度时，其反射率随温度的上升而下降，在350摄氏度的高温环境下退火几个小时光栅就可以完全被擦除，不能用于高温测量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的各种温度传感器的缺点，发明一种结构简单、成本低、灵敏度高和应用灵活的光纤型金属纳米薄膜温度传感器。

一种光纤型金属薄膜温度传感器，包括光波万用表和光纤，所述的光纤连接在光波万用表上，在光纤上串接有光纤型光学温度感知装置，还具有光源以及连接点，所述光纤型光学温度感知装置是金属纳米薄膜温度感应装置，所述金属纳米薄膜温度感应装置的结构是：包括两段由芯层和外面的包层构成的光纤载体，在两段光纤载体之间具有一个连接区，在连接区内设有金属纳米薄膜连接两芯层，所述金属纳米薄膜为复合热敏光学薄膜，所述复合热敏光学薄膜是在光学材料基底上多次喷涂纳米金属膜形成的多层金属复合薄膜或者是在光学材料基底上多次喷涂纳米金属膜且多层纳米金属膜之间还喷涂其他介质膜形成的多层复合薄膜。

作为改进：在金属纳米薄膜的外层具有保护层；保护金属纳米薄膜。

作为优选：所述金属纳米薄膜的金属为铬、镍、金、银、铝的至少一种；灵活组合，适用不同的场合。

作为优选，所述的金属纳米薄膜通过镀膜或粘贴的方法和芯层及包层固定连接；连接方式简单，制作方便。

本发明主要是利用金属纳米薄膜的热敏特性作为温度传感介质，其相对于光散射型热敏光纤或光纤光栅温度传感器具有适用温度范围宽（可应用于-100℃以下到1000℃以上的温度检测范围，若改用宝石基体光纤载体，其温度检测上限则可用于检测1500摄氏度以上的温度范围）的优点，而且金属纳米薄膜为复合热敏光学薄膜，这种复合结构特性复杂，适用功能要求复杂的场合，应用广泛，灵活，同时，它同样具有光敏光纤或光纤光栅体积小，无电火花，几乎为无源器件的优良应用特性。

附图说明

图1，本发明的结构图；

图2，本发明的金属纳米薄膜温度感应装置的结构图；

图3，本发明的金属纳米薄膜温度感应装置的具有保护层的优化结构图；

图4，本发明的金属纳米薄膜的制造方法流程图。

具体实施方式

如图1，本发明的温度传感器包括光探测器，这里具体是光波万用表1，作为光路通道的光纤2，这段光纤2连接在光波万用表1上，在光纤2上串接有金属纳米薄膜温度感应装置3。要实现整个传感器的工作，还具有光源10。图1是一个包括了典型应用的结构，连接点11是光路中光纤2和光纤载体4的熔接点。

本发明的金属纳米薄膜温度感应装置3具体结构如图2，这种感应装置是基于光纤制造的，为区别普通的直接连接万用表1的光纤2，在此称这温度感应装置的载体为光纤载体4，但是我们需要强调的是光纤载体4和光纤2在材料上没有区别，仅仅是便于叙述采用的区分称谓。光纤载体4由芯层5和外围的包层6构成，在光纤载体4的截面，设置有连接区7，连接区7内设有金属纳米薄膜8，金属纳米薄膜8连接两段被分开的芯层5，构成依然通常的光路。

金属纳米薄膜8为热敏薄膜光学材料，其光学透射率随温度变化而变化。

金属纳米薄膜8的具体制造方法如图4的流程图，主要步骤是：将金属材料（本实施例选用铬、镍、金、银或铝中的一种）处理成纳米颗粒粉末，具体是采用纳米磨（循环砂磨机或球磨机）在防止氧化的环境下（如添加氮气或惰性气体的加工环境）研磨金属微粒，要求根据实际光学插入损耗（插损）控制设计要求控制粒度在1-500nm之间；

然后利用分散剂根据实际应用环境测量温度范围，将纳米颗粒溶解进熔融玻璃或紫外固化胶水中。分散剂选用以芳香烃、皂化剂或者硅烷。通过合理配比悬浊液浓度，使得金属颗粒均匀分散（必要时可采用超声波助溶），悬浊液中的分散剂的比重为0.2%~1.2%之间；

利用有机分散剂（依然可以选择以芳香烃、皂化剂或者硅烷）使悬浊液具备有效地量子相应阻挡层的特性；

再采用3D打印工艺或波导刻蚀工艺或喷漆工艺将纳米材料或真空镀膜工艺在光学材料的基体（典型的如石英玻璃或硅酸盐玻璃）或底层材料上预制成膜，根据实际插损平均值控制要求控制膜厚（本发明的金属纳米箔膜8的总厚度），厚度控制在10纳米~10微米。必要时可多次喷涂，或者在多次喷涂的纳米金属膜之间喷涂其他介质膜，采用真空电镀工艺或喷涂工艺预制介质膜（光学意义上是阻挡层），形成具有特殊热敏特性的复合热敏光学薄膜；其他介质，典型是非金属介质膜，为不含纳米金属颗粒的光学透明介质，如不含纳米金属颗粒的光学基体材料等。

最后固化。对于熔融体冷却固化；对于喷涂工艺采用紫外曝光或加热固化；对于喷漆薄膜采用热固化或自然晾干。

金属纳米薄膜温度感应装置3的制造方法：

将前述金属纳米薄膜8置于两根光纤载体4形成的光路中，便形成一个光纤型金属纳米薄膜温度感应装置3，其中金属纳米薄膜8完全覆盖光纤载体4导光的芯层5部分，可通过镀膜或粘贴等方完成，连接区7可采用胶水或直接采用光纤熔接方式形成。

所述的金属纳米薄膜8可以采用不同的材料制造。对于熔点较高、不易氧化、在光纤端面表面附着力较强的薄膜材料，如上述制造实施例的铬、镍等，可采用上述结构方式形成光纤型金属纳米薄膜温度感应装置。

对于熔点相对较低、在光纤载体4的端面表面附着力相对较弱的薄膜材料，如金，银，铝等，则须引入一定的辅助结构来制成光纤型金属纳米薄膜温度感知装置。如图2的结构：在金属纳米薄膜8的外面增加了保护层9（也可以称为辅助层），保护层9可采用但不限于采用溅射镀电介质薄膜、光学胶涂覆后固化等方式形成。在熔接型的传感器中，为防止薄膜被高温氧化（如金属铝等等）或烧蚀，可采用介质镀膜形成保护层；另外对于附着力较低的材料（如金，银，没有加氧化铝衬底的铝等等），为防止在制作过程中膜层的脱落或损伤，也必须采用介质膜或光学胶水固化保护层。连接层7同样可以采用熔接形成或者光学胶水粘接形成。

工作原理：光源10将发出的信号光（设光功率为P₀）经过光纤2耦合到光纤型金属纳米薄膜温度感应装置3，再耦合至光波万用表1，当感应装置3中的金属纳米薄膜8处温度发生变化时，从光源至光波万用表的光学插入损耗将会随着温度的升降而发生相应的变化，通过光波万用表检测光功率P即可推算出光纤型金属纳米薄膜光学温度传感器所检测之温度T。计算公式如下：

其中，f为温度T对插入损耗P-P₀的函数，P是光波万用表检测光功率，P₀是信号光光功率。

Claims (5)

1.一种光纤型金属薄膜温度传感器，包括光源（10）、第一光纤、光纤型光学温度感知装置（3）、第二光纤、光波万用表（1），所述的光纤型光学温度感知装置（3）的两端分别通过连接点（11）连接第一光纤的一端、第二光纤的一端，所述第一光纤的另一端连接光源（10），所述第二光纤的另一端连接光波万用表（1），所述光纤型光学温度感知装置（3）是金属纳米薄膜温度感应装置，所述金属纳米薄膜温度感应装置的结构是：包括两段由芯层（5）和外面的包层（6）构成的光纤载体（4），在两段光纤载体之间具有一个连接区（7），在连接区内设有金属纳米薄膜（8）连接两芯层，所述的金属纳米薄膜（8）的制造方法是：将金属材料处理成纳米颗粒粉末，粒度在1~500nm；然后利用分散剂溶解形成纳米金属悬浊液，悬浊液浓度安排为分散剂比例0.2%~10%，使得金属颗粒均匀分散后再次添加有机分散剂，使纳米金属悬浊液形成有效的量子相应阻挡层；再将悬浊液喷涂至光学材料的基体表面并使之固化成纳米金属膜。

2.根据权利要求1所述的光纤型金属薄膜温度传感器，其特征是：在金属纳米薄膜（8）的外层具有保护层（9）。

3.根据权利要求1所述的光纤型金属薄膜温度传感器，其特征是：所述的金属纳米薄膜（8）的金属为铬、镍、金、银、铝的至少一种。

4.根据权利要求1所述的光纤型金属薄膜温度传感器，其特征是：所述的金属纳米薄膜（8）通过镀膜或粘贴的方法和芯层（5）及包层（6）固定连接。

5. 根据权利要求1所述的光纤型金属薄膜温度传感器，其特征是：所述的金属纳米薄膜（8）的膜厚是100纳米量级以上10微米量级以下。