CN104006901A - 基于多孔薄膜的光纤温度传感器及其制备和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于多孔薄膜的光纤温度传感器，包括由纤芯和光纤包层构成的裸纤，裸纤一端端面镀有湿度敏感薄膜，另一端用于信号输出；裸纤外套有毛细玻璃管，毛细玻璃管的两端通过紫外固化胶固定密封，湿度敏感薄膜被密封在毛细玻璃管内部。将准备好的裸纤一端的端面置于物理气象沉积装置中进行镀膜，制备裸纤端面上的湿度敏感薄膜；取毛细玻璃管，将镀好膜的裸纤悬空放入毛细玻璃管中，两头用紫外固化胶固定封装；封装时记录环境及毛细玻璃管内的温、湿度，不能超过湿度敏感薄膜的敏感范围。该温度传感器具有微型化、可批量生产以及潜在低成本的优点；并且该温度传感器的制备方法简单，易于操作；利用该温度传感器进行温度测量准确。

Description

基于多孔薄膜的光纤温度传感器及其制备和测量方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术、材料科学以及光电子技术的交叉领域，具体涉及基于多孔薄膜的光纤温度传感器及其制备和测量方法。

背景技术

近年来光纤传感器在许多领域得到广泛研究。而国防科技、航空航天、发电变电、纺织、食品、医药、仓储、农业等行业对湿度都有非常严格的要求，对湿度传感器的环境适应性以及测量范围、响应速度、测量精度等主要指标也越来越高。传统的电容式、电阻式等电量湿度传感器存在着长期稳定性和互换性差、不能在严重污染和强电磁干扰环境下工作，以及只能单点测量的严重不足。而光纤传感器因为具有体积小，重量轻，不受电磁干扰，光纤传输全光信号，易于集成等一系列的优点，而在如今传感器发展制作中备受关注。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：基于多孔薄膜的光纤温度传感器及其制备和测量方法，具有微型化、可批量生产以及潜在低成本的优点。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：基于多孔薄膜的光纤温度传感器，其特征在于：它包括由纤芯和光纤包层构成的裸纤，裸纤一端的端面镀有湿度敏感薄膜，裸纤的另一端用于信号输出；裸纤外套有毛细玻璃管，毛细玻璃管的两端通过紫外固化胶固定密封，毛细玻璃管与裸纤之间为空腔，湿度敏感薄膜被密封在毛细玻璃管内。

按上述光纤温度传感器，所述的湿度敏感薄膜包含三层薄膜，依次为二氧化钛介质薄膜、纳米级微孔二氧化硅介质薄膜和二氧化钛介质薄膜。

按上述光纤温度传感器，所述的二氧化钛介质薄膜的厚度为120-250nm，纳米级微孔二氧化硅介质薄膜的厚度为二氧化钛薄膜的8-10倍，具体可根据对反射光谱的实际要求设计具体膜厚及比例。

上述基于多孔薄膜的光纤温度传感器的制备方法，其特征在于：将准备好的裸纤一端的端面置于物理气象沉积装置中进行镀膜，制备裸纤端面上的湿度敏感薄膜；取一段毛细玻璃管，将镀好膜的裸纤悬空放入毛细玻璃管中，两头用紫外固化胶固定封装；封装时记录环境及毛细玻璃管内的温、湿度，不能超过湿度敏感薄膜的敏感范围。

按上述制备方法，镀膜具体步骤为：将裸纤光滑的端面朝向物理气象沉积装置的靶材，采用真空蒸镀技术在端面依次蒸镀三层薄膜，分别依次为二氧化钛介质薄膜、纳米级微孔二氧化硅介质薄膜和二氧化钛介质薄膜，蒸镀膜料分别依次为纯度为99.99％的Ti₃O₅颗粒、SiO₂颗粒和Ti₃O₅颗粒，粒度为3-5mm，蒸镀机腔体真空度为0.03Pa，总充入氧气量为150-160sccm，蒸镀速率分别依次为和

按上述制备方法，所述的二氧化钛介质薄膜的厚度为120-250nm，纳米级微孔二氧化硅介质薄膜的厚度为二氧化钛薄膜的8-10倍，薄膜的厚度由晶振片监控。

按上述制备方法，取市售通讯多模光纤，包括纤芯和光纤包层构成的裸纤，包层外设有涂敷层，涂敷层外设有护套；剥去市售通讯多模光纤一端的护套和涂敷层，露出长度为3-6cm裸纤，将裸纤一端端面切平，仅保留长0.5-2cm，即构成所述的准备好的裸纤。

一种温度测量系统，其特征在于：它包括上述基于多孔薄膜的光纤温度传感器，光纤温度传感器的信号输出端与光纤耦合器的合路端连接，光纤耦合器还包括2个分路端，分别与宽带光源和光谱仪连接，光谱仪的数据端与处理器连接。

按上述温度测量系统，所述的光纤温度传感器至少2个，它们的信号输出端通过光开关与光纤耦合器的合路端连接。

基于上述温度测量系统实现的温度测量方法，其特征在于：它包括以下步骤：

接收光纤温度传感器传递来的光谱信息，绘制以波长为横坐标、反射强度为纵坐标的光谱图；

读取指定光波谷的波长值λ，利用温度标定关系式计算温度值T：

T＝a₀+a₁*λ+a₂*λ²+…+a_n-1*λ^n-1+a_n*λⁿ,

其中a₀、a₁,…、a_n-1、a_n均为常数，通过对光纤温度传感器温度响应曲线进行多项式拟合得到，n的取值视精度而设定，需求精度越高，n的取值越大。

一种温湿度测量系统，其特征在于：它包括权利要求1所述的基于多孔薄膜的光纤温度传感器，还包括光纤湿度传感器，光纤温度传感器和光纤湿度传感器的信号输出端通过光开关与光纤耦合器的合路端连接，光纤耦合器还包括2个分路端，分别与宽带光源和光谱仪连接，光谱仪的数据端与处理器连接；

所述的光纤湿度传感器包括由纤芯和光纤包层构成的裸纤，裸纤一端的端面镀有湿度敏感薄膜，裸纤的另一端用于信号输出。

基于上述温湿度测量系统实现的温湿度测量方法，其特征在于：它包括以下步骤：

分别接收光纤温度传感器和光纤湿度传感器传递来的光谱信息，分别绘制以波长为横坐标、反射强度为纵坐标的光谱图；

读取指定光波谷的波长值λ_T、λ_H，利用温度标定关系式计算温度值T：

T＝a₀+a₁*λ_T+a₂*λ_T ²+…+a_m-1*λ_T ^m-1+a_m*λ_T ^m；

利用湿度标定关系式计算相对湿度值RH：

RH＝b₀+b₁*λ_H+b₂*λ_H ²+…+b_i-1*λ_H ^i-1+b_i*λ_H ⁱ；

其中λ_T为从光纤温度传感器反馈光谱中读取的波长,λ_H为从光纤湿度传感器反馈光谱中读取的波长；a₀、a₁、…、a_m-1、a_m均为常数，通过对光纤温度传感器温度响应曲线进行多项式拟合得到；b₀、b₁、…、b_i-1、b_i均为常数，通过对光纤湿度传感器湿度响应曲线进行多项式拟合得到；m和i的取值视精度而设定，需求精度越高，m和i的取值越大。

本发明的有益效果为：

1、通过蒸镀工艺直接在一段裸纤的端面上制作一个具有多层结构的湿度敏感薄膜，从而构成一个外腔式的光纤Fabry-Perot干涉腔，环境相对湿度的增大，使湿度敏感薄膜吸附水分子增多，从而导致薄膜的等效折射率变大、干涉腔光学长度变长，表现在干涉光谱上则是光谱向长波方向移动，通过检测指定光波谷所对应的波长值的变化便可实现对环境湿度的测量；利用密闭环境内相对湿度随温度变化而改变的原理，封装制备了基于此湿度敏感薄膜的光纤温度传感器；该温度传感器具有微型化、可批量生产以及潜在低成本的优点；并且该温度传感器的制备方法简单，易于操作；利用该温度传感器进行温度测量准确。

2、通常在测量湿度的时候，会因为温度的变化而影响测量精度，利用该温度传感器与湿度传感器一起进行温湿度的测量，不仅能够同时测量温度和湿度，而且能够对测得的湿度值进行温度补偿，提高测量精度。

附图说明

图1为本发明一实施例的光纤温度传感器的结构示意图。

图2为本发明一实施例的光纤湿度传感器的结构示意图。

图3为本发明一实施例的温湿度测量系统框图。

图4为本发明一实施例的光纤温度传感器的光谱图。

图中：1.二氧化钛介质薄膜，2.多孔二氧化硅介质薄膜，3.光纤包层，4.纤芯，5.紫外固化胶，6.光纤涂敷层，7.毛细玻璃管，8.宽带光源，9.光谱仪，10.光纤耦合器，11.光开关，12.光纤湿度传感器，13.光纤温度传感器。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

如图1和图2所示，本实施例提供的基于多孔薄膜的光纤湿度传感器包括由纤芯4和光纤包层3构成的裸纤，裸纤一端的端面镀有湿度敏感薄膜，裸纤的另一端用于信号输出。基于多孔薄膜的光纤温度传感器包括由纤芯4和光纤包层3构成的裸纤，裸纤一端的端面镀有湿度敏感薄膜，裸纤的另一端用于信号输出；裸纤外套有毛细玻璃管7，毛细玻璃管7的两端通过紫外固化胶5固定密封，毛细玻璃管7与裸纤之间为空腔，湿度敏感薄膜被密封在毛细玻璃管7内。湿度敏感薄膜包含三层薄膜，依次为二氧化钛介质薄膜1、纳米级微孔二氧化硅介质薄膜2和二氧化钛介质薄膜1。

所述的二氧化钛介质薄膜的厚度为120-250nm，纳米级微孔二氧化硅介质薄膜的厚度为二氧化钛薄膜的8-10倍，具体可根据对反射光谱的实际要求设计具体膜厚及比例。

上述基于多孔薄膜的光纤温度传感器的制备方法如下：将准备好的裸纤一端的端面置于物理气象沉积装置中进行镀膜，制备裸纤端面上的湿度敏感薄膜；取一段毛细玻璃管(本实施例中毛细玻璃管长度1-3cm，内径300um，使用超声波清洗仪清洁干净，干燥)，将镀好膜的裸纤悬空放入毛细玻璃管中，两头用紫外固化胶固定封装；封装时记录环境及毛细玻璃管内的温、湿度，不能超过湿度敏感薄膜的敏感范围(本实施例中敏感范围为0-60％RH)。

镀膜具体步骤为：将光滑的端面朝向物理气象沉积装置的靶材，采用真空蒸镀技术在端面依次蒸镀三层薄膜，分别依次为二氧化钛介质薄膜、纳米级微孔二氧化硅介质薄膜和二氧化钛介质薄膜，蒸镀膜料分别依次为纯度为99.99％的Ti₃O₅颗粒、SiO₂颗粒和Ti₃O₅颗粒，粒度为3-5mm，蒸镀机腔体真空度为0.03Pa，总充入氧气量为150-160sccm，蒸镀速率分别依次为和二氧化钛介质薄膜的厚度为120-250nm，纳米级微孔二氧化硅介质薄膜的厚度为二氧化钛薄膜的8-10倍，薄膜的厚度由晶振片监控。

裸纤可自行制造、购买裸纤或取市售普通光纤进行改造。例如：市售通讯多模光纤包括纤芯4和光纤包层3构成的裸纤，包层外设有涂敷层6，涂敷层外设有护套；剥去市售通讯多模光纤一端的护套和涂敷层，露出长度为3-6cm裸纤，将裸纤一端端面切平，仅保留0.5-2cm，即构成所述的准备好的裸纤。

本基于多孔薄膜的光纤温度传感器的工作原理为：

在初始温度湿度固定的密闭环境中，其内部相对湿度随温度升高而减小，具体关系如下，

给定初始温度T₀、相对湿度RH₀，固定体积的密闭系统中，其相对湿度RH随温度变化的关系式为：

$\mathrm{RH}=\frac{e_{\mathrm{\ω}}^{*}\left(T_0\right)\×(T+273)}{e_{\mathrm{\ω}}^{*}\left(T\right)\×(T_0+273)}\·{\mathrm{RH}}_0,$

$e_{\mathrm{\ω}}^{*}\left(T\right)=(1.0007+3.46\×{10}^{-6}P)\×\left(6.1121\right)e^{\left(\frac{17.502T}{240.97+T}\right)},$

其中T为密闭环境温度，单位℃。

温度升高引起密闭环境内的相对湿度变小，同时导致湿度敏感薄膜吸附水分子减少，薄膜等效折射率减小，这意味着FP干涉腔长变短，反应在反射光谱上则是谐振波长变小，指定光波谷波长值变小，因此通过检测该波长值的变化，便可以获得温度值。

利用上述基于多孔薄膜的光纤温度传感器构成的温度测量系统，包括上述基于多孔薄膜的光纤温度传感器，光纤温度传感器的信号输出端与光纤耦合器(本实施例中选用中心波长在850nm的熔锥型50/50耦合器)的合路端连接，光纤耦合器还包括2个分路端，分别与宽带光源和光谱仪连接，光谱仪的数据端与计算机连接。

进一步的，所述的光纤温度传感器可以为单个或多个，布设在各需要测量温度的测量点，它们的信号输出端通过光开关与光纤耦合器的合路端连接，从而获得多个测量点的温度值。

利用上述温度测量系统的温度测量方法包括以下步骤：

接收光纤温度传感器传递来的光谱信息，绘制以波长为横坐标、反射强度为纵坐标的光谱图，如图4所示；

读取指定光波谷的波长值λ，利用温度标定关系式计算温度值T：

T＝a₀+a₁*λ+a₂*λ²+…+a_n-1*λ^n-1+a_n*λⁿ,

其中a₀、a₁,…、a_n-1、a_n均为常数，通过对光纤温度传感器温度响应曲线进行多项式拟合得到，n的取值视精度而设定，需求精度越高，n的取值越大。

当需要测量多个测量点的温度值时，通过光开关选择对应的温度传感器即可。

如图3所示，一种温湿度测量系统包括基于多孔薄膜的光纤温度传感器和基于多孔薄膜的光纤湿度传感器，光纤温度传感器13和光纤湿度传感器12的信号输出端通过光开关11与光纤耦合器10的合路端连接，光纤耦合器10还包括2个分路端，分别与宽带光源8和光谱仪9连接，光谱仪9的数据端与处理器连接进行数据处理，最终计算出温度值和湿度值。

基于上述温湿度测量系统实现的温湿度测量方法包括以下步骤：

分别接收光纤温度传感器和光纤湿度传感器传递来的光谱信息，分别绘制以波长为横坐标、反射强度为纵坐标的光谱图；

读取指定光波谷的波长值λ_T、λ_H，利用温度标定关系式计算温度值T：

T＝a₀+a₁*λ_T+a₂*λ_T ²+…+a_m-1*λ_T ^m-1+a_m*λ_T ^m；

利用湿度标定关系式计算相对湿度值RH：

RH＝b₀+b₁*λ_H+b₂*λ_H ²+…+b_i-1*λ_H ^i-1+b_i*λ_H ⁱ；

其中λ_T为从光纤温度传感器反馈光谱中读取的波长,λ_H为从光纤湿度传感器反馈光谱中读取的波长；a₀、a₁、…、a_m-1、a_m均为常数，通过对光纤温度传感器温度响应曲线进行多项式拟合得到；b₀、b₁、…、b_i-1、b_i均为常数，通过对光纤湿度传感器湿度响应曲线进行多项式拟合得到；m和i的取值视精度而设定，需求精度越高，m和i的取值越大。

其中在对光纤湿度传感器湿度响应曲线进行多项式拟合时，加入温度因素，即在不同的温度下分别进行湿度相应试验，获得不同温度下的湿度响应曲线，在获得了温度T之后，选择对应温度下的常数b₀、b₁、…、b_i-1、b_i来计算相对湿度值RH。

以具体实验结果为例：将基于多孔薄膜的光纤湿度传感器放在可调湿度的密闭容器中，记录相对湿度变化过程中光谱干涉峰波长的变化，光波长随着相对湿度的增加而增大，在相对湿度从1.8％到63％的过程中，特征峰波长由641.6nm变为668.5nm，平均灵敏度高达0.43nm/％RH。将基于多孔薄膜的光纤温度传感器放在温度可调的密闭容器中，记录温度从21.4℃到38.8℃的过程中，特征峰波长变化12nm，温度灵敏度0.63nm/℃。此外，光纤湿度传感器从60％相对湿度环境到15％环境响应时间仅5s，重复性实验说明传感器具有较好的可逆性。

以上实施例仅用于说明本发明的计算思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.基于多孔薄膜的光纤温度传感器，其特征在于：它包括由纤芯和光纤包层构成的裸纤，裸纤一端的端面镀有湿度敏感薄膜，裸纤的另一端用于信号输出；裸纤外套有毛细玻璃管，毛细玻璃管的两端通过紫外固化胶固定密封，毛细玻璃管与裸纤之间为空腔，湿度敏感薄膜被密封在毛细玻璃管内。

2.根据权利要求1所述的基于多孔薄膜的光纤温度传感器，其特征在于：所述的湿度敏感薄膜包含三层薄膜，依次为二氧化钛介质薄膜、纳米级微孔二氧化硅介质薄膜和二氧化钛介质薄膜。

3.根据权利要求2所述的基于多孔薄膜的光纤温度传感器，其特征在于：所述的二氧化钛介质薄膜的厚度为120-250nm，纳米级微孔二氧化硅介质薄膜的厚度为二氧化钛薄膜的8-10倍。

4.如权利要求1所述的基于多孔薄膜的光纤温度传感器的制备方法，其特征在于：将准备好的裸纤一端的端面置于物理气象沉积装置中进行镀膜，制备裸纤端面上的湿度敏感薄膜；取一段毛细玻璃管，将镀好膜的裸纤悬空放入毛细玻璃管中，两头用紫外固化胶固定封装；封装时记录环境及毛细玻璃管内的温、湿度，不能超过湿度敏感薄膜的敏感范围。

5.根据权利要求4所述的基于多孔薄膜的光纤温度传感器的制备方法，其特征在于：镀膜具体步骤为：将裸纤光滑的端面朝向物理气象沉积装置的靶材，采用真空蒸镀技术在端面依次蒸镀三层薄膜，分别依次为二氧化钛介质薄膜、纳米级微孔二氧化硅介质薄膜和二氧化钛介质薄膜，蒸镀膜料分别依次为纯度为99.99％的Ti₃O₅颗粒、SiO₂颗粒和Ti₃O₅颗粒，粒度为3-5mm，蒸镀机腔体真空度为0.03Pa，总充入氧气量为150-160sccm，蒸镀速率分别依次为和

6.根据权利要求5所述的基于多孔薄膜的光纤温度传感器的制备方法，其特征在于：所述的二氧化钛介质薄膜的厚度为120-250nm，纳米级微孔二氧化硅介质薄膜的厚度为二氧化钛薄膜的8-10倍，薄膜的厚度由晶振片监控。

7.根据权利要求4或5或6所述的基于多孔薄膜的光纤温度传感器的制备方法，其特征在于：取市售通讯多模光纤，包括纤芯和光纤包层构成的裸纤，包层外设有涂敷层，涂敷层外设有护套；剥去市售通讯多模光纤一端的护套和涂敷层，露出长度为3-6cm裸纤，将裸纤一端端面切平，仅保留0.5-2cm长，即构成所述的准备好的裸纤。

8.一种温度测量系统，其特征在于：它包括权利要求1所述的基于多孔薄膜的光纤温度传感器，光纤温度传感器的信号输出端与光纤耦合器的合路端连接，光纤耦合器还包括2个分路端，分别与宽带光源和光谱仪连接，光谱仪的数据端与处理器连接。

9.根据权利要求8所述的温度测量系统，其特征在于：所述的光纤温度传感器至少2个，它们的信号输出端通过光开关与光纤耦合器的合路端连接。

10.基于权利要求8所述的温度测量系统实现的温度测量方法，其特征在于：它包括以下步骤：

接收光纤温度传感器传递来的光谱信息，绘制以波长为横坐标、反射强度为纵坐标的光谱图；

读取指定光波谷的波长值λ，利用温度标定关系式计算温度值T：

T＝a₀+a₁*λ+a₂*λ²+…+a_n-1*λ^n-1+a_n*λⁿ,

其中a₀、a₁,…、a_n-1、a_n均为常数，通过对光纤温度传感器温度响应曲线进行多项式拟合得到，n的取值视精度而设定，需求精度越高，n的取值越大。

11.一种温湿度测量系统，其特征在于：它包括权利要求1所述的基于多孔薄膜的光纤温度传感器，还包括光纤湿度传感器，光纤温度传感器和光纤湿度传感器的信号输出端通过光开关与光纤耦合器的合路端连接，光纤耦合器还包括2个分路端，分别与宽带光源和光谱仪连接，光谱仪的数据端与处理器连接；

所述的光纤湿度传感器包括由纤芯和光纤包层构成的裸纤，裸纤一端的端面镀有湿度敏感薄膜，裸纤的另一端用于信号输出。

12.基于权利要求11所述的温湿度测量系统实现的温湿度测量方法，其特征在于：它包括以下步骤：

分别接收光纤温度传感器和光纤湿度传感器传递来的光谱信息，分别绘制以波长为横坐标、反射强度为纵坐标的光谱图；

读取指定光波谷的波长值λ_T、λ_H，利用温度标定关系式计算温度值T：

T＝a₀+a₁*λ_T+a₂*λ_T ²+…+a_m-1*λ_T ^m-1+a_m*λ_T ^m；

利用湿度标定关系式计算相对湿度值RH：

RH＝b₀+b₁*λ_H+b₂*λ_H ²+…+b_i-1*λ_H ^i-1+b_i*λ_H ⁱ；

其中λ_T为从光纤温度传感器反馈光谱中读取的波长,λ_H为从光纤湿度传感器反馈光谱中读取的波长；a₀、a₁、…、a_m-1、a_m均为常数，通过对光纤温度传感器温度响应曲线进行多项式拟合得到；b₀、b₁、…、b_i-1、b_i均为常数，通过对光纤湿度传感器湿度响应曲线进行多项式拟合得到；m和i的取值视精度而设定，需求精度越高，m和i的取值越大。