CN105841838A - 基于氧化石墨烯薄膜的光纤温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于氧化石墨烯薄膜的光纤温度传感器，其特征在于：由宽带光源(1)、第一光纤束腰(2)、氧化石墨烯薄膜(3)、第二光纤束腰(4)和光谱分析仪(5)组成；氧化石墨烯分散液经过干燥处理，均匀镀在第一光纤束腰(2)和第二光纤束腰(4)以及中间光纤区域的表面上，形成氧化石墨烯薄膜(3)；氧化石墨烯薄膜(3)的厚度为1～20nm；第一光纤束腰(2)左端与宽带光源(1)连接，第一光纤束腰(2)右端与第二光纤束腰(4)左端连接，第二光纤束腰(4)右端与光谱分析仪(5)连接。本发明利用了氧化石墨烯薄膜具有机械强度大和导热系数高的特性，镀有氧化石墨烯薄膜光纤传感器，既不会影响其对温度的灵敏度，同时也可以极大增强该传感头的机械强度，延长传感器的使用寿命。

Description

基于氧化石墨烯薄膜的光纤温度传感器

技术领域

本发明提出了一种基于氧化石墨烯薄膜的光纤温度传感器，属于光纤传感技术领域。

背景技术

石墨烯是一种新型的二维碳纳米材料，具有比表面积大、导热系数高、机械强度大等优良性能。作为石墨烯最重要的衍生物一氧化石墨烯，在保留着石墨烯众多特性的同时，其表面丰富的含氧官能团使得其有着良好的亲水特性，可以稳定的分散于水溶液中。氧化石墨烯水溶液具有易成膜的特性，且技术手段简单，利用这一特性，可以将氧化石墨烯分散液干燥处理，从而在光纤传感器的侧表面镀不同厚度的氧化石墨烯薄膜。氧化石墨烯薄膜机械强度大，因此制得的光纤传感器具有更强的韧性，更不易折断；较高的导热系数，将不会影响光纤传感器对温度的灵敏度。

马赫-曾德尔(Mach-zehnder，M-Z)干涉型光纤传感器通过采用干涉测量法产生相位调制以便获得较高的灵敏度和分辨率，该原理已经被广泛应用于各种光纤传感器中来监测各类外界环境的变化，比如：温度、液体折射率，压力等。同时，光纤传感器还具有：频带宽；不受电磁干扰；体积很小；损坏阈值高等优点，因此其发展前景相当广阔。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于氧化石墨烯薄膜的光纤温度传感器，将经过干燥处理的氧化石墨烯分散液均匀的镀在两个相同光纤束腰之间的光纤侧表面，从而形成一种新型的镀有氧化石墨烯薄膜的光纤传感器，氧化石墨烯薄膜具有高机械强度的特性，因此，可以提高该传感器的机械强度，延长传感器的寿命；同时该薄膜又具有导热系数高的特性，因此，不会影响到该传感器对温度的灵敏度。该传感器具有结构紧凑、制作技术简易，灵敏度高等优点。

本发明通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种基于氧化石墨烯薄膜的光纤温度传感器，其特征在于：由宽带光源(1)、第一光纤束腰(2)、氧化石墨烯薄膜(3)、第二光纤束腰(4)和光谱分析仪(5)组成；氧化石墨烯分散液经过干燥处理，均匀镀在第一光纤束腰(2)和第二光纤束腰(4)以及中间光纤区域的表面上，形成氧化石墨烯薄膜(3)；氧化石墨烯薄膜(3)的厚度为1～20nm；第一光纤束腰(2)左端与宽带光源(1)连接，第一光纤束腰(2)右端与第二光纤束腰(4)左端连接，第二光纤束腰(4)右端与光谱分析仪(5)连接。

所述的一种基于氧化石墨烯薄膜的光纤温度传感器，其特征在于：第一光纤束腰(2)和第二光纤束腰(4)之间的距离为10～30mm。

所述的一种基于氧化石墨烯薄膜的光纤温度传感器，其特征在于：第一光纤束腰(2)和第二光纤束腰(4)长度为120～150μm，直径为150～180μm。

本发明的工作原理是：

入射光在经过光纤束腰(2)时，部分在光纤纤芯中传播的光会被耦合到光纤包层中，激发出在包层中传播的包层模，剩余的光将作为纤芯模继续沿纤芯向前传播；光纤束腰(4)可以将包层中传播的部分包层模重新耦合到纤芯中，从而与纤芯模形成MZI。MZI两个干涉臂的物理长度相同，但由于包层和纤芯的有效折射率不一样，从而形成光程差。纤芯模和包层模满足的相位匹配条件表达式为：

其中和分别表示纤芯有效折射率和第i个包层模的有效折射率，λ为入射光波长，d为光纤束腰(2)和光纤束腰(4)之间的距离，表示纤芯有效折射率和第i个包层模的有效折射率的差值。(1)式中两个相邻干涉极小的波长间隔为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}\≈\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{{\mathrm{\Δn}}_{eff}^{i}d}---\left(2\right)$

其中d是一定值，当外界的温度变化时，会引起的变化，则Δλ也随之改变，最终的实验结果表现为干涉峰所对应的波长发生漂移。由此，根据测出的波长漂移量，再和开始定标的量对比，就可以测得当前温度的值。

本发明的有益效果是：本发明利用了氧化石墨烯薄膜具有机械强度大和导热系数高的特性，镀有氧化石墨烯薄膜光纤传感器，既不会影响其对温度的灵敏度，同时也可以极大增强该传感器的机械强度，延长传感器的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的基于氧化石墨烯薄膜的光纤温度传感器特征装置示意图；

图2是本发明的光纤传感器处于不同温度下的干涉光谱变化实验图；

图3是本发明的温度灵敏度拟合曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及实施实例对本发明作进一步描述：

参见附图1，基于氧化石墨烯薄膜的光纤温度传感器，其特征在于：由宽带光源(1)、第一光纤束腰(2)、氧化石墨烯薄膜(3)、第二光纤束腰(4)和光谱分析仪(5)组成；氧化石墨烯分散液经过干燥处理，均匀镀在第一光纤束腰(2)和第二光纤束腰(4)以及中间光纤区域的表面上，形成氧化石墨烯薄膜(3)；氧化石墨烯薄膜(3)的厚度为1～20nm；第一光纤束腰(2)左端与宽带光源(1)连接，第一光纤束腰(2)右端与第二光纤束腰(4)左端连接，第二光纤束腰(4)右端与光谱分析仪(5)连接。

光纤束腰(2)和(4)都是采用型号为：Fujikura FSM-100P的光纤熔接机制作，程序设置利用的是光纤熔接机的特殊功能，通过控制马达移动速度、电极棒放电强度和时间来控制形成的光纤束腰(2)和(4)的直径和长度。切割光纤端面，熔接光纤束腰(2)和(4)时采用单模-单模的标准熔接程序。

图2为镀有氧化石墨烯薄膜的光纤传感器在不同温度条件下时的干涉光谱变化实验图，可见，温度变化范围在25℃～95℃内，干涉峰对应的波长向长波长方向产生了漂移。图3是发明温度传感器的灵敏度拟合曲线图曲线图，该传感器的灵敏度为0.05nm/℃。

Claims (3)

1.基于氧化石墨烯薄膜的光纤温度传感器，其特征在于：由宽带光源(1)、第一光纤束腰(2)、氧化石墨烯薄膜(3)、第二光纤束腰(4)和光谱分析仪(5)组成；氧化石墨烯分散液经过干燥处理，均匀镀在第一光纤束腰(2)和第二光纤束腰(4)以及中间光纤区域的表面上，形成氧化石墨烯薄膜(3)；氧化石墨烯薄膜(3)的厚度为1～20nm；第一光纤束腰(2)左端与宽带光源(1)连接，第一光纤束腰(2)右端与第二光纤束腰(4)左端连接，第二光纤束腰(4)右端与光谱分析仪(5)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于氧化石墨烯薄膜的光纤温度传感器，其特征在于：第一光纤束腰(2)和第二光纤束腰(4)长度为120～150μm，直径为150～180μm。

3.根据权利要求1所述的一种基于氧化石墨烯薄膜的光纤温度传感器，其特征在于：第一光纤束腰(2)和第二光纤束腰(4)之间的距离为10～30mm。