CN104048778B - 一种黑体腔式高温传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种黑体腔式高温传感器，包括蓝宝石光纤，光纤的一端包覆有金属薄膜形成光纤黑体腔，光纤的另一端连接光纤接头。其中，金属薄膜采用钼薄膜，厚度为200nm；光纤黑体腔的腔体长度与光纤直径比为11：1。制备方法的主要步骤为：选择一段蓝宝石光纤，先将其一端端面抛光，并对该端清洗干净，将光纤装入溅射平台夹具内，选择合适的溅射参数，顺次在光纤该端镀上一层钼薄膜及一层氧化铝薄膜，之后在光纤另一端加插芯并抛光光滑，制成光纤接头与后续传输光纤连接。本发明形成的传感光纤黑体腔具有接近理想黑体的辐射特性，将进一步提升传感器测温的准确性、灵敏度和分辨率。
Description
技术领域
本发明属于光纤温度传感领域，涉及一种可用于高温连续测量的蓝宝石光纤黑体腔传感器，具体涉及传感器光纤黑体腔的结构参数与具体的制作方法。
背景技术
高温的测量在工业生产领域十分常见，通常采用的方法有热电偶、红外辐射测温等方法。高温下热电偶材料物化特性不稳定导致其不能长期、连续地测量温度。而非接触式的红外测温虽然能有较高的测温上限，但其测量时必须知道热源的发射率情况，易受背景辐射的干扰，测得的仅是热源表面的温度。光纤黑体腔传感器利用蓝宝石光纤耐高温及红外透光特性，与热源直接接触，可测流体及其内部的温度。同时它采用石英多模光纤将温度信号传输至远离热源处处理显示，避免了高温工作环境及电磁干扰，适合于长期稳定地温度监测。
光纤黑体腔高温传感器的温度敏感信号来自于探头前端的黑体腔，其测温性能的关键在于传感黑体腔的制作，合理的光纤黑体腔的设计能提高其高温辐射性能，进一步提升传感器测温的准确性、灵敏度、分辨率等。光纤黑体腔测温技术最早由美国国家标准局R.R.Dils提出，近年来在国内已有数所高校及研究所有过该方面报导。但这些报导尚未重视光纤黑体腔的构造参数的设计，并未将传感腔体的优化设计与具体的制作相结合。
发明内容
本发明的目的在于提供一种黑体腔式高温传感器，其光纤黑体腔具有优化的参数，能大大提高光纤黑体腔辐射的性能。同时提出一种该传感器的实际制备方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种黑体腔式高温传感器，包括蓝宝石光纤，光纤的一端包覆有金属薄膜形成光纤黑体腔，光纤的另一端连接光纤接头，其特征在于，所述金属薄膜采用钼薄膜，厚度为200nm；所述光纤黑体腔的腔体长度与光纤直径比为11：1。
所述金属薄膜外还包覆一层氧化物保护薄膜，厚度为20nm。
进一步地，所述蓝宝石光纤的芯径为250μm。
一种黑体腔式高温传感器的制备方法，其具体工艺步骤如下：
a)截取长度为26cm、芯径为250μm的蓝宝石光纤；
b)将蓝宝石光纤装入手持研磨盘，顺次采用6μm及1μm规格的金刚石研磨纸对蓝宝石光纤端面进行手工抛光，抛光时间分别为60s及40s；
c)对步骤b)得到的蓝宝石光纤一端6cm长的区域分别用丙酮、酒精和去离子水超声清洗，然后用氮气吹干；再用等离子清洗机对光纤该部分区域处理数分钟；
d)将步骤c)清洗后的蓝宝石光纤包裹，使需镀膜部分露出，将光纤装入自动溅射平台，用夹具固定光纤；
e)设定溅射参数，依次对光纤溅射200nm厚度的钼薄膜及20nm厚度的氧化铝薄膜；
f)对步骤e)得到的蓝宝石光纤未镀膜的另一端用步骤b)的方法进行端面抛光，并以步骤c)的方法清洗，对该端制成FC/PC型接头与石英光纤对接以传输光纤黑体腔辐射信号。
本发明的光纤黑体腔，采用表面发射率高的钼作为薄膜材料，腔体薄膜在红外波段透射率在0.15%以下，其厚度仅200nm，薄膜与蓝宝石光纤结合牢固。同时依据有限元方法计算的结果，对于钼薄膜，当腔体长度与光纤直径比值达到11时，其有效发射率在0.965以上，具有接近理想黑体的热辐射特性。如果用铱金属作为光纤黑体腔薄膜材料，其在红外波段表面发射率只有0.25~0.3，其构成的光纤黑体腔有效发射率仅在0.928左右。因此，利用本发明的腔体参数制备的光纤黑体腔将有效提高传感器的准确性、分辨率和响应速度，而且制作步骤简单、易于实现、成本低。
附图说明
图1是本发明光纤黑体腔构造示意图，1-1：蓝宝石光纤；1-2：钼薄膜；1-3：氧化铝薄膜；1-4：光纤黑体腔腔长为2.8mm；1-5：钼薄膜厚度为200nm；1-6：氧化铝薄膜厚度为20nm；1-7：蓝宝石光纤长度为26cm；1-8：蓝宝石光纤芯径为250μm。
图2是本发明光纤黑体腔的有限元软件分析模型，2-1：光纤黑体腔腔体网格单元；2-2：模拟热辐射接收面网格单元。
图3是本发明光纤黑体腔腔体钼薄膜的红外波段透射谱。
图4是本发明光纤黑体腔的有限发射率与腔长关系的有限元计算结果，其中光纤半径取为单位1长度，腔长为光纤半径的整数倍。
具体实施方式
本发明光纤黑体腔的优化设计流程：在有限元软件ANSYS内建立光纤黑体腔的热辐射模型，包括薄膜腔体及模拟的热辐射接收面，设置腔体材料的表面发射率、导热系数、比热容，添加SHELL57壳单元，以映射法划分网格得到有限元模型，利用AUX12辐射矩阵生成器生成辐射面间的形状系数矩阵，将此矩阵作为超单元用于热分析求解。求解完毕，利用在后处理器看到的探测面上节点的热流率响应解计算得到光纤黑体腔的有效发射率值。分别计算腔底的形状、腔体温度、腔长、腔体材料表面发射率等在不同取值下对腔体有效发射率的影响，得到这些腔体参数的一组优化解。
光纤黑体腔的构造采用溅射镀膜工艺在蓝宝石光纤一端的侧表面及端面均匀溅射一层金属薄膜。考虑到金属钼在高温环境下良好的导热性能，且热膨胀系数与蓝宝石光纤匹配，所以光纤黑体腔采用钼作为薄膜材料。并在钼薄膜的外层溅射一层氧化铝薄膜以抑制钼在高温下的氧化反应。本实施例中，蓝宝石光纤采用250μm芯径，26cm长度。根据有限元软件仿真结果，对于钼材料，光纤黑体腔的腔长径比为11：1时其有效发射率达到最大，故所述光纤黑体腔腔长取2.8mm。
光纤黑体腔的制作步骤如下：
a)截取长度26cm芯径为250μm的蓝宝石光纤。在蓝宝石光纤的侧表面用金刚石切割刀轻轻刻划数下，小心敲断取下；
b)将蓝宝石光纤端面研磨抛光。将蓝宝石光纤一端通过光纤插芯装入手持不锈钢研磨盘，保持光纤端面与研磨盘底面平齐，顺次采用6μm及1μm规格的金刚石研磨纸对蓝宝石光纤端面进行手工抛光，抛光时间分别为60s及40s；
c)对步骤b)得到的蓝宝石光纤取下插芯，其一端6cm长的区域分别用丙酮、酒精和去离子水超声清洗10分钟，然后用氮气吹干。再用等离子清洗机对光纤该部分区域处理5分钟；
d)将步骤c)清洗后的蓝宝石光纤用锡纸包裹，露出2.8mm长的光纤，将光纤装入JSD450-III型自动溅射平台，用溅射腔内的光纤夹具固定光纤，调整好夹具的旋转程度及光纤到溅射靶的距离；
e)确保溅射腔封闭，对其抽真空，当溅射腔内真空度达到5×10-4Pa后设置溅射压强，通入溅射气体。设定1层薄膜材料为钼，终厚为200nm，2层薄膜材料为氧化铝，终厚为20nm。启动钼靶材电源，功率设定为200w。待钼膜厚度达200nm后启动氧化铝靶材电源，射频功率设定为300w。溅射结束后，关停真空泵，对溅射腔充气后，小心取出光纤。此处，钼薄膜的厚度仅为200nm，且满足在红外波段下透射率在0.15%以下，并具有较高的热导速率。薄膜与光纤基体结合牢固。
f)对步骤e)得到的蓝宝石光纤未镀膜的另一端用步骤b)的方法进行端面的研磨抛光，并以步骤c)的方法清洗，对该端制成FC/PC型接头与石英多模光纤对接以传输光纤黑体腔辐射信号。
Claims (1)
1.一种黑体腔式高温传感器的制备方法，其具体工艺步骤如下：
a)截取长度为26cm、芯径为250μm的蓝宝石光纤；
b)将蓝宝石光纤装入手持研磨盘，顺次采用6μm及1μm规格的金刚石研磨纸对蓝宝石光纤端面进行手工抛光，抛光时间分别为60s及40s；
c)对步骤b)得到的蓝宝石光纤一端6cm长的区域分别用丙酮、酒精和去离子水超声清洗，然后用氮气吹干；再用等离子清洗机对光纤该部分区域处理5分钟；
d)将步骤c)清洗后的蓝宝石光纤包裹，使需镀膜部分露出，将光纤装入自动溅射平台，用夹具固定光纤；
e)设定溅射参数，依次对光纤溅射200nm厚度的钼薄膜及20nm厚度的氧化铝薄膜；
f)对步骤e)得到的蓝宝石光纤未镀膜的另一端用步骤b)的方法进行端面抛光，并以步骤c)的方法清洗，将该端制成FC/PC型接头与石英光纤对接以传输光纤黑体腔辐射信号。
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