CN103954377A - 基于微结构光纤的温度传感器及其制备方法和测温装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于温度传感器技术领域，提供了一种基于微结构光纤的温度传感器及其制备方法和测温装置。所述温度传感器包括至少两段微结构光纤，相邻两段微结构光纤之间通过多模光纤串接；所述微结构光纤的纤芯和包层二者之中至少包层内具有沿轴向分布的气孔，所述气孔内具有量子点材料，且每段微结构光纤中的量子点材料所发射的荧光的波长不同。相比于普通荧光材料，量子点具有激发波长宽，荧光波长可调，荧光强度稳定等特点。通过在各段微结构光纤中加入类型或尺寸不同的量子点，可以在波长域根据荧光波长的不同区分各段微结构光纤，实现准分布式传感。

Description

基于微结构光纤的温度传感器及其制备方法和测温装置

技术领域

本发明属于温度传感器技术领域，尤其涉及一种基于微结构光纤的温度传感器及其制备方法和测温装置。

背景技术

荧光材料的荧光参量与温度有关，如荧光的强度、强度比、波长和寿命等参量是与温度有关的函数，因此通过监测相关荧光参量，可以实现对温度的测量。但普通荧光材料的荧光波长范围宽，可调范围窄，限制了基于普通荧光材料的光纤传感器在分布式传感方面的应用，而且普通荧光材料的荧光强度弱，尤其是在激发光长时间照射下，荧光材料会产生光漂白现象，导致荧光强度明显下降，使传感器的灵敏度降低。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题在于提供一种基于微结构光纤的温度传感器，旨在实现激发波长宽、荧光波长可调、荧光强度稳定、测量范围宽的准分布式传感。

本发明是这样实现的，一种基于微结构光纤的温度传感器，所述温度传感器包括至少两段微结构光纤，相邻两段微结构光纤之间通过多模光纤串接；所述微结构光纤的纤芯和包层二者之中至少包层内具有沿轴向分布的气孔，所述气孔内具有量子点材料，且每段微结构光纤中的量子点材料所发射的荧光的波长不同。

进一步地，所述量子点材料为填充于气孔中的水溶性或油溶性量子点溶液。

进一步地，所述量子点材料为涂覆在气孔内壁的量子点薄膜。

更进一步地，所述量子点材料选自II-VI族或III-V族核壳量子点，核直径为2.5～20纳米，其荧光参量随温度发生变化。

更进一步地，所述微结构光纤的长度为0.8～80毫米。

本发明所要解决的第二个技术问题在于提供一种基于微结构光纤的温度传感器的制作方法，所述制作方法包括下述步骤：

步骤A，将微结构光纤的两端切平使包层和纤芯内沿轴向分布的气孔开放，并在所述气孔内形成量子点材料；

步骤B，将步骤A得到的微结构光纤的两端分别与多模光纤熔接，以将微结构光纤的两端封闭；

步骤C，将通过步骤B得到的至少两段微结构光纤通过各自所熔接的多模光纤相连接。

进一步地，所述量子点材料为水溶性或油溶性量子点溶液；所述步骤A中具体通过如下步骤在气孔内形成量子点材料：

利用毛细效应或加压的方式将水溶性或油溶性量子点溶液填充到气孔中。

进一步地，所述量子点材料为量子点薄膜；所述步骤A中具体通过如下步骤在气孔内形成量子点材料：

采用静电自组装的方式，将量子点涂覆到纤芯和包层的气孔内壁上，形成量子点薄膜。

本发明所要解决的第三个技术问题在于提供一种透射式测温装置，所述透射式测温装置包括：

光源；

如上所述的基于微结构光纤的温度传感器，其通过多模光纤与所述光源连接，所述温度传感器中的量子点材料受光源所发出的光激发而产生荧光；

光纤光谱仪，其通过多模光纤与所述温度传感器连接，用于对所述温度传感器产生的荧光进行光谱测量；

数据处理单元，用于对所述光纤光谱仪输出的光谱进行分析处理，从中获取荧光参量的变化，进而实现对温度的测量；光隔离器，位于所述光源与所述温度传感器之间，用于防止所述温度传感器产生的荧光反向传输至所述光源。

本发明所要解决的第四个技术问题在于提供一种反射式测温装置，所述反射式测温装置包括：

光源；

如上所述的基于微结构光纤的温度传感器，所述温度传感器中的量子点材料受光源所发出的光激发而产生荧光；

光纤光谱仪，其通过多模光纤与所述温度传感器连接，用于对所述温度传感器产生的荧光进行光谱测量；

数据处理单元，用于对所述光纤光谱仪输出的光谱进行分析处理，从中获取荧光参量的变化，进而实现对温度的测量；

所述光源、温度传感器、光纤光谱仪三者之间通过1×2多模光纤耦合器连接，其中，温度传感器连接多模光纤耦合器的第一端口，光源连接多模光纤耦合器的第二端口，光纤光谱仪连接多模光纤耦合器的第三端口；

光隔离器，位于所述光源与所述温度传感器之间，用于防止所述温度传感器产生的荧光反向传输至所述光源。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：考虑到量子点的荧光参量与温度相关，其荧光强度、强度比、波长和寿命等参量是温度的函数，本发明即利用量子点荧光参量的温度依赖性可实现温度的测量。相比于普通荧光材料，量子点具有激发波长宽，荧光波长可调，荧光强度稳定等特点。通过在各段微结构光纤中加入类型或尺寸不同的量子点，可以在波长域根据荧光波长的不同区分各段微结构光纤，实现准分布式传感。并且通过在一根多模光纤上串接多段微结构光纤，有效地降低光纤传感系统的成本，同时扩展了光纤温度传感器的测量范围，为准分布式温度传感提供了一种新的方法。

附图说明

图1是本发明提供的基于微结构光纤的温度传感器的结构图；

图2是图1中采用的微结构光纤的横截面示意图；

图3是本发明提供的透射式测温装置的结构图；

图4是本发明提供的反射式测温装置的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明是基于微结构光纤气孔中加入的量子点的荧光温度效应实现温度传感；在微结构光纤的气孔中填充量子点溶液或在气孔壁上涂覆量子点薄膜，当激发光传输到微结构光纤时，激发量子点产生荧光，利用荧光参量与温度之间的函数关系进行温度测量；通过串接多段微结构光纤，并在各段微结构光纤中加入类型或尺寸不同的量子点，使各段微结构光纤中量子点发射的荧光波长不同，则在波长域可区分各段微结构光纤，形成准分布式微结构光纤量子点温度传感器。

请参照图1，该准分布式温度传感器由n段微结构光纤111、112、……、11n通过多模光纤12串接而成，每段微结构光纤均可作为一个单独的温度传感器。

该n段微结构光纤的结构相同，但其气孔中加入的量子点的类型或尺寸不同，相应地可受激产生不同波长的荧光，从而在波长域区分各段微结构光纤，实现准分布式传感。

该微结构光纤的长度为0.8～80毫米，微结构光纤采用熔接的方式与多模光纤相连。

图2示出了上述微结构光纤的横截面。该微结构光纤的纤芯和包层排列着沿光纤轴向分布的气孔，其中21表示纤芯内的气孔，22表示包层内的气孔，在气孔中21、22中填充水溶性或油溶性量子点溶液或在气孔内壁上涂覆量子点薄膜。

该量子点为II-VI族或III-V族核壳量子点，核直径为2.5～20纳米，其荧光参量随温度发生变化；微结构光纤中传输的激发光与量子点之间充分作用，有效激发量子点的荧光，提高微结构光纤量子点温度传感器的灵敏度。

在微结构光纤的气孔中加入量子点的具体实施方法为：首先将微结构光纤两端切平，令气孔开放；然后利用毛细效应或加压的方式将量子点溶液填充到微结构光纤的气孔中，或采用静电自组装的方法将量子点涂覆到微结构光纤的气孔内壁上，形成量子点薄膜；微结构光纤的气孔中加入量子点后，利用熔接机将微结构光纤的两端与多模光纤熔接，对微结构光纤进行封闭，然后根据所需要的微结构光纤的段数，将微结构光纤通过各自所熔接的多模光纤相连接。

图3所示，为本发明的准分布式微结构光纤量子点温度传感器的透射式测量装置示意图，该透射式测量装置包括光源31，光隔离器32，多模光纤33，准分布式微结构光纤量子点温度传感器34，光纤光谱仪35，数据线36和数据处理单元37。

该光源31发出的光经多模光纤33传输到温度传感器34，激发温度传感器34中的量子点产生荧光，荧光信号的正向分量通过多模光纤传输到光纤光谱仪35，光纤光谱仪35获取温度传感器的荧光光谱，数据处理单元37通过数据线36与光纤光谱仪35相连；准分布式微结构光纤量子点温度传感器34感受温度的变化，其荧光参量随温度改变。

该光源31根据量子点的吸收波长进行选择，可选用LED光源或激光器。

该光隔离器32可防止荧光信号的反向分量传输到光源，对光源造成影响。

该光纤光谱仪35的测量波长范围为200～1100nm，对温度传感器的荧光光谱进行测量。

该数据处理单元37对光纤光谱仪输出的光谱进行分析处理，获取荧光参量的变化，进而实现对温度的测量。

图4所示，为本发明的准分布式微结构光纤量子点温度传感器的反射式测量装置示意图，该反射式测量装置包括光源41，光隔离器42，1×2多模光纤耦合器43，准分布式微结构光纤量子点温度传感器44，光纤光谱仪45，数据线46和数据处理单元47。

1×2多模光纤耦合器43的分光比为50:50，该光源41发出的光经1×2多模光纤耦合器43的第二端口432传输到与1×2多模光纤耦合器43的第一端口431连接的温度传感器44，激发温度传感器44中的量子点材料产生荧光，荧光信号的反向分量经1×2多模光纤耦合器43传输到与1×2多模光纤耦合器43的第三端口433连接的光纤光谱仪45；光纤光谱仪45通过数据线46与数据处理单元47相连。

该反射式测量装置中的光源、光隔离器、光纤光谱仪、数据线、数据处理单元的选取和作用与该透射式测量装置中的选用的光源、光隔离器、光纤光谱仪、数据线、数据处理单元一致，此处不再赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于微结构光纤的温度传感器，其特征在于，所述温度传感器包括至少两段微结构光纤，相邻两段微结构光纤之间通过多模光纤串接；所述微结构光纤的纤芯和包层二者之中至少包层内具有沿轴向分布的气孔，所述气孔内具有量子点材料，且每段微结构光纤中的量子点材料所发射的荧光的波长不同。

2.如权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述量子点材料为填充于气孔中的水溶性或油溶性量子点溶液。

3.如权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述量子点材料为涂覆在气孔内壁的量子点薄膜。

4.如权利要求1至3任一项所述的温度传感器，其特征在于，所述量子点材料选自II-VI族或III-V族核壳量子点，核直径为2.5～20纳米，其荧光参量随温度发生变化。

5.如权利要求1至3任一项所述的温度传感器，其特征在于，所述微结构光纤的长度为0.8～80毫米。

6.一种基于微结构光纤的温度传感器的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括下述步骤：

步骤A，将微结构光纤的两端切平使包层和纤芯内沿轴向分布的气孔开放，并在所述气孔内形成量子点材料；

步骤B，将步骤A得到的微结构光纤的两端分别与多模光纤熔接，以将微结构光纤的两端封闭；

步骤C，将通过步骤B得到的至少两段微结构光纤通过各自所熔接的多模光纤相连接。

7.如权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述量子点材料为水溶性或油溶性量子点溶液；所述步骤A中具体通过如下步骤在气孔内形成量子点材料：

利用毛细效应或加压的方式将水溶性或油溶性量子点溶液填充到气孔中。

8.如权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述量子点材料为量子点薄膜；所述步骤A中具体通过如下步骤在气孔内形成量子点材料：

采用静电自组装的方式，将量子点涂覆到纤芯和包层的气孔内壁上，形成量子点薄膜。

9.一种透射式测温装置，其特征在于，所述透射式测温装置包括：

光源；

如权利要求1至5任一项所述的基于微结构光纤的温度传感器，其通过多模光纤与所述光源连接，所述温度传感器中的量子点材料受光源所发出的光激发而产生荧光；

光纤光谱仪，其通过多模光纤与所述温度传感器连接，用于对所述温度传感器产生的荧光进行光谱测量；

数据处理单元，用于对所述光纤光谱仪输出的光谱进行分析处理，从中获取荧光参量的变化，进而实现对温度的测量；

光隔离器，位于所述光源与所述温度传感器之间，用于防止所述温度传感器产生的荧光反向传输至所述光源。

10.一种反射式测温装置，其特征在于，所述反射式测温装置包括：

光源；

如权利要求1至5任一项所述的基于微结构光纤的温度传感器，所述温度传感器中的量子点材料受光源所发出的光激发而产生荧光；

光纤光谱仪，其通过多模光纤与所述温度传感器连接，用于对所述温度传感器产生的荧光进行光谱测量；

数据处理单元，用于对所述光纤光谱仪输出的光谱进行分析处理，从中获取荧光参量的变化，进而实现对温度的测量；

所述光源、温度传感器、光纤光谱仪三者之间通过1×2多模光纤耦合器连接，其中，温度传感器连接多模光纤耦合器的第一端口，光源连接多模光纤耦合器的第二端口，光纤光谱仪连接多模光纤耦合器的第三端口；

光隔离器，位于所述光源与所述温度传感器之间，用于防止所述温度传感器产生的荧光反向传输至所述光源。