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本发明公开了一种蓝宝石光纤高温传感器及其制作方法。宽带光源、耦合器、蓝宝石光纤探头、光谱仪和传感光纤，所述宽带光源和光谱仪通过传感光纤与耦合器连接，耦合器通过传感光纤与蓝宝石光纤探头连接；其中，所述蓝宝石光纤探头为末端面依次镀有ZrO2/Al2O3/ZrO2薄膜的蓝宝石光纤，蓝宝石光纤的另外一端与多模光纤熔接共为传感光纤。本发明蓝宝石光纤探头采用三层膜材料，有利于增大Fabry-Perot干涉光谱的振幅，并使光谱的特征极小值更加突出，且探头的大小基本上是蓝宝石光纤的直径，体型微小，成本极低，因此该法极具工业大规模生产的潜能。

Description

一种蓝宝石光纤高温传感器及其制作方法
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种蓝宝石光纤高温传感器及其制作方法。
背景技术
近年来光纤传感器在许多领域得到广泛研究。因蓝宝石光纤传感器在煤气炉和喷气发动机等传统传感器无法完全解决的问题上具有巨大的应用潜力，蓝宝石光纤温度传感研究已经吸引了大量的关注。已有多个基于蓝宝石光纤传感的例子。
比如，A.Wang等将蓝宝石光纤与石英单模光纤端面进行熔接以形成本征F-P传感，其制作的用于偏振测量的蓝宝石光纤传感器测量温度高达1500℃；H.Xiao等制成用于温度与应变测量的蓝宝石气隙传感器；Y.Zhu等人以蓝宝石晶片作为传感元件附着在蓝宝石光纤端面用于高温测量，该种晶片传感器具有很好的条纹可见度但蓝宝石光纤与蓝宝石晶片需采用机械粘接的方法进行固定，这与传感器小型化趋势相反。Grobnic等提出了一种用飞秒激光器刻光栅的蓝宝石光纤光栅传感器，由于蓝宝石光纤本身具有多种模式，而布拉格光栅的性能高度依赖于在实际应用中不容易控制的模式激发条件，另一方面，用于恶劣环境传感尤其是在有限空间(如喷气发动机)的非入侵式的微型传感器被人们给予了高度期望。
发明内容
本发明目的在于提供一种可以工作于高温恶劣环境、体型微小成本低廉且测量准确可靠的蓝宝石光纤高温传感器。
为达到上述目的，采用的技术方案如下：
一种蓝宝石光纤探头，由蓝宝石光纤及在其一端依次涂覆的ZrO2/Al2O3/ZrO2薄膜组成；其中两层ZrO2膜的厚度相同，厚度在80-200nm之间，且ZrO2膜与Al2O3膜的厚度比在8-50之间；所述蓝宝石光纤的长度在50-100mm之间。
一种蓝宝石光纤高温传感器，包括宽带光源、耦合器、蓝宝石光纤探头、光谱仪和传感光纤，所述宽带光源和光谱仪通过传感光纤与耦合器连接，耦合器通过传感光纤与蓝宝石光纤探头连接；其中，所述蓝宝石光纤探头为末端面依次镀有ZrO2/Al2O3/ZrO2薄膜的蓝宝石光纤，蓝宝石光纤的另外一端与多模光纤熔接共为传感光纤；宽带光源发出的光通过耦合器后进入传感光纤中，到达蓝宝石光纤探头末端膜材料产生反射，通过光谱仪测量反射光谱，得到特征干涉光谱。
按上述方案，所述蓝宝石光纤探头的末端ZrO2/Al2O3/ZrO2薄膜中两层ZrO2膜的厚度相同，厚度在80-200nm之间，且ZrO2膜与Al2O3膜的厚度比在8-50之间。
按上述方案，所述的蓝宝石光纤探头中蓝宝石光纤的长度在50-100mm之间。
按上述方案，所述的传感光纤芯径105μm，蓝宝石光纤芯径105μm。
上述蓝宝石光纤探头的制作方法，包括以下步骤：
将蓝宝石光纤端面依次在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗；
采用南光真空镀膜机在蓝宝石光纤端面依次镀ZrO2/Al2O3/ZrO2薄膜；
其中镀膜时，采用纯度为99.99wt％以上的膜料，充入O2气作为反应气体；在1×10-2Pa的真空下，开启公转与烘烤，烘烤温度250℃～300℃，待烘烤温度与真空稳定后开启离子源20～30min，挡板处于关闭状态下开始对膜料进行预熔，预熔完成后开启挡板开始蒸镀。
按上述方案，所述的蓝宝石光纤探头的制作方法还包括进行热处理，其具体过程如下：
1)在400℃条件下保温2小时，随炉冷至室温；
2)在600℃条件下保温2小时，随炉冷至室温；
3)在800℃条件下保温3小时，随炉冷至室温；
4)在1000℃条件下保温3小时，随炉冷至室温；
5)在1200℃条件下保温4小时，随炉冷至室温；
6)在1400℃条件下保温4小时，随炉冷至室温。
本发明采用多模光纤(芯径105μm/125μm)与蓝宝石光纤(芯径105μm)一端面熔接后作为基本传感光纤。这是因为单模光纤只传输基模，纤芯只有(8～9)μm，而本发明中的蓝宝石光纤纤芯为105μm，两者模场直径差异过大，造成光纤熔接等损耗过大，因此采用与蓝宝石光纤(芯径105μm)模场直径较为匹配的特种多模光纤(芯径105μm/125μm)熔接后作为传感光纤。
本发明基于Fabry-Perot干涉原理而设计，应用于高温环境时当温度发生变化，探头上的薄膜材料由于热光效应作用使特征光发生相应的移动且比单层膜产生更长的波长漂移，从而将特征干涉光谱与外部高温环境的变化联系起来。
本发明的有益效果：
本发明蓝宝石光纤探头采用三层膜材料，有利于增大Fabry-Perot干涉光谱的振幅，并使光谱的特征极小值更加突出；
将薄膜直接沉积在蓝宝石光纤的端面，整个探头的大小基本上是蓝宝石光纤的直径，体型微小；
由于薄膜层的优势,可以在一次镀膜过程中同时制造多个传感器，成批生产时单个传感器消耗的成本极低，因此该法极具工业大规模生产的潜能；
可以按照不同需求选择不同材料来设计的膜层的厚度及层数以满足特定需求，可改造性强。
附图说明
图1：本发明蓝宝石光纤探头结构图；
图2：本发明工作原理图；
1-蓝宝石光纤；2-ZrO2薄膜；3-Al2O3薄膜；4-宽带光源，5-光谱仪；6-耦合器；7-蓝宝石光纤探头。
具体实施方式
以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。
参照附图1、2，本发明蓝宝石光纤高温传感器，包括宽带光源4、耦合器6、蓝宝石光纤探头7、光谱仪5和传感光纤，宽带光源4和光谱仪5通过传感光纤与耦合器6连接，耦合器6通过传感光纤与蓝宝石光纤探头7连接；其中，所述蓝宝石光纤探头为末端面依次镀有ZrO2/Al2O3/ZrO2薄膜的蓝宝石光纤1，蓝宝石光纤的另外一端与多模光纤熔接共为传感光纤。宽带光源发出的光通过耦合器后进入传感光纤中，到达蓝宝石光纤探头末端膜材料产生反射，通过光谱仪测量反射光谱，得到特征干涉光谱。当周围高温环境中温度发生变化时，探头的膜结构产生热光效应使得上述光谱曲线产生红移或蓝移，这就是本发明基于Fabry-Perot干涉的设计原理。
当周围高温环境发生变化时，薄膜材料由于热光效应作用使特征光发生相应的移动且比单层膜产生更长的波长漂移，从而将特征干涉光谱与外部高温环境的变化联系起来。
参照附图1、2，蓝宝石光纤探头的末端ZrO2/Al2O3/ZrO2薄膜中两层ZrO2膜2的厚度相同在80-200nm之间，ZrO2膜与Al2O3膜3的厚度比在8-50之间。蓝宝石光纤探头7中蓝宝石光纤1的长度在50-100mm之间。传感光纤芯径105μm，蓝宝石光纤1芯径105μm。本发明蓝宝石光纤探头温度敏感材料是由TFC膜系设计软件设计的三层膜结构，其中第一层ZrO2膜层是在清洗过的抛光蓝宝石光纤端面采用真空电子枪蒸镀技术制备而成。部分光可以透过该层并进入到第二层Al2O3膜层后反射回来与第一层ZrO2膜层的反射光形成Fabry-Perot干涉，该膜层起透射作用。同时，第三层ZrO2膜层的存在使得少部分透过第二层Al2O3膜层光再次反射回来进一步与上述反射光形成干涉，该层的存在有利于增大Fabry-Perot干涉光谱的振幅，并使光谱的特征极小值更加突出。
本发明蓝宝石光纤高温传感器中蓝宝石光纤探头的制作过程如下：
将蓝宝石光纤一端先在99.5％的丙酮溶液中超声清洗10分钟，再在纯度大于99.7％的乙醇溶液中超声清洗10分钟，最后在去离子水中超声清洗10分钟，上述清洗完成后即得到蓝宝石光纤的清洁端面；
采用南光真空镀膜机在蓝宝石光纤端面依次镀ZrO2/Al2O3/ZrO2薄膜；
其中镀第一层ZrO2膜时，采用纯度为99.99wt％以上的膜料，充入O2气作为反应气体；在1×10-2Pa的真空下，开启公转与烘烤，烘烤温度250℃～300℃，待烘烤温度与真空稳定后开启离子源20～30min，挡板处于关闭状态下开始对膜料进行预熔，预熔完成后开启挡板开始蒸镀。充入O2气作为反应气体是为了解决ZrO2的失氧问题。待烘烤温度与真空稳定后开启离子源20～30min目的是进一步清洁蓝宝石光纤端面并使其表面温度均匀以提高与膜层之间的附着力。第二层Al2O3膜和第三层ZrO2采用相同的方式进行。
蓝宝石光纤探头的制作完成后还需进行热处理，其具体过程如下：
1)在400℃条件下保温2小时，随炉冷至室温；
2)在600℃条件下保温2小时，随炉冷至室温；
3)在800℃条件下保温3小时，随炉冷至室温；
4)在1000℃条件下保温3小时，随炉冷至室温；
5)在1200℃条件下保温4小时，随炉冷至室温；
6)在1400℃条件下保温4小时，随炉冷至室温。
热处理工艺中在400℃～1500℃对试样进行热处理后再多次进行室温到1500℃的循环即测试并加强薄膜探头可靠性与重复性。

Claims (7)

1.一种蓝宝石光纤探头，其特征在于由蓝宝石光纤及在其一端依次涂覆的ZrO2/Al2O3/ZrO2薄膜组成；其中两层ZrO2膜的厚度相同，厚度在80-200nm之间，且ZrO2膜与Al2O3膜的厚度比在8-50之间；所述蓝宝石光纤的长度在50-100mm之间。
2.一种蓝宝石光纤高温传感器，包括宽带光源、耦合器、蓝宝石光纤探头、光谱仪和传感光纤，其特征在于：
所述宽带光源和光谱仪通过传感光纤与耦合器连接，耦合器通过传感光纤与蓝宝石光纤探头连接；其中，所述蓝宝石光纤探头为末端面依次镀有ZrO2/Al2O3/ZrO2薄膜的蓝宝石光纤，蓝宝石光纤的另外一端与多模光纤熔接共为传感光纤；宽带光源发出的光通过耦合器后进入传感光纤中，到达蓝宝石光纤探头末端膜材料产生反射，通过光谱仪测量反射光谱，得到特征干涉光谱。
3.如权利要求2所述的蓝宝石光纤高温传感器，其特征在于所述蓝宝石光纤探头的末端ZrO2/Al2O3/ZrO2薄膜中两层ZrO2膜的厚度相同，厚度在80-200nm之间，且ZrO2膜与Al2O3膜的厚度比在8-50之间。
4.如权利要求2所述的蓝宝石光纤高温传感器，其特征在于所述的蓝宝石光纤探头中蓝宝石光纤的长度在50-100mm之间。
5.如权利要求2所述的蓝宝石光纤高温传感器，其特征在于所述的传感光纤芯径105μm，蓝宝石光纤芯径105μm。
6.权利要求1所述的蓝宝石光纤探头的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
将蓝宝石光纤端面依次在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗；
采用南光真空镀膜机在蓝宝石光纤端面依次镀ZrO2/Al2O3/ZrO2薄膜；
其中，镀膜时，采用纯度为99.99wt％以上的膜料，充入O2气作为反应气体；在1×10-2Pa的真空下，开启公转与烘烤，烘烤温度250℃～300℃，待烘烤温度与真空稳定后开启离子源20～30min，挡板处于关闭状态下开始对膜料进行预熔，预熔完成后开启挡板开始蒸镀。
7.如权利要求6所述的蓝宝石光纤探头的制作方法，其特征在于还包括进行热处理，其具体过程如下：
1)在400℃条件下保温2小时，随炉冷至室温；
2)在600℃条件下保温2小时，随炉冷至室温；
3)在800℃条件下保温3小时，随炉冷至室温；
4)在1000℃条件下保温3小时，随炉冷至室温；
5)在1200℃条件下保温4小时，随炉冷至室温；
6)在1400℃条件下保温4小时，随炉冷至室温。
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