CN108225605A - 一种d形聚合物光纤探头、温度传感器及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种D形聚合物光纤探头、温度传感器及制备方法，包括外部设置有光纤外被的光纤内核，光纤内核由内向外依次包括纤芯和外包层，纤芯的两端为圆柱状结构，中部为双锥形耦合区段，耦合区段的横截面呈规则的D形结构面，在D形结构面外设置有温度敏感材料层，D形结构面和温度敏感材料层配合形成D形柱状结构，在D形聚合物光纤探头的入射光路上设置有斩波器，D形探头与锁相放大器连接，通过锁相放大器将信号放大后传给光电探测器并最终存储在电脑终端，斩波器和光电探测器均与调制器连接制成温度传感器，采用本发明D形聚合物光纤探头制备的温度传感器结构简单，成本低廉，灵敏度高，反应迅速等优点。

Description

一种D形聚合物光纤探头、温度传感器及制备方法
【技术领域】
本发明属于光纤温度传感器制造技术领域，具体涉及一种D形聚合物光纤探头、温度传感器及制备方法。
【背景技术】
随着现代工业、空间技术、军事等领域逐步向自动化和智能化发展，对传感器的灵敏度、精度、可靠性等的要求不断增加，光纤类传感器因其灵敏度高、较强的抗电磁干扰能力、良好的动态范围、体积小、耐腐蚀、响应速度快、网络化、分布式、多点、大区域、同步检测等优点，备受国内外专家和用户的青睐。塑料聚合物光纤作为感知信号的器件和玻璃光纤相比具有更多的优点：
1、塑料光纤质轻、柔软，更耐破坏(振动和弯曲)。塑料光纤有着优异的拉伸强度、耐用性和占用空间小的特点。柔韧、更小的杨氏模量、更大的热光系数和更大的热膨胀系数，所以聚合物光纤传感器能够提供更高的灵敏度和更宽的响应范围；
2、塑料光纤收发模块使用650nm波长的红光，非常安全，使用者可见也容易判断光纤的连接是否成功。作为信号传输载体可以使用可见光波段的发光二极管(LED)作为电/光或光/电转换器件，直接输出电压信号使解调系统成本大幅降低；
3、具有更好的抗弯曲特性、芯径大，数值孔径大，与光源和接收器的耦合效率高，端面处理简单、具有简易的连接方式和简单的连接器件等优点。
基于聚合物光纤的传感器既有光纤传感器的优势，且直接输出电信号易于和别的电类传感系统兼容，具有十分明显的本征优势和应用潜能。因此聚合物光纤在传感领域具有广泛的应用前景，但是普通聚合物光纤对光传输能量变化不明显不能作为传感器使用，因此，研制具有对外界因素有敏感特性的聚合物光纤结构具有重大意义。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种D形聚合物光纤探头、温度传感器及制备方法，该D形聚合物光纤探头结构设计合理，易于制作；基于D形聚合物光纤探头的温度传感器测量灵敏度高，效果好。
本发明采用以下技术方案：
一种D形聚合物光纤探头，包括外部设置有光纤外被的光纤内核，光纤内核由内向外依次包括纤芯和外包层，在光纤探头的任意一段上，纤芯的两端为圆柱状结构，中部为双锥形耦合区段，耦合区段的横截面呈规则的D形结构面，在D形结构面外设置有温度敏感材料层，D形结构面和温度敏感材料层配合形成D形柱状结构。
具体的，纤芯的外部还设置有铠装保护层。
进一步的，铠装保护层包覆区域包括纤芯中部D形柱状区域。
具体的，耦合区段中部D形锥区纤芯的半径为240～600μm。
具体的，耦合区段的长度为10～100mm。
一种制备D形聚合物光纤探头的方法，包括以下步骤：
S1、用剥线钳去除光纤探头上的光纤外被；
S2、将步骤S1去除光纤外被后裸露的纤芯表面一侧打磨成水平形成D形结构面，然后去除D形结构面弧形侧的外包层；
S3、在D形结构面外敷温度敏感材料层，使D形结构面与温度敏感材料层相配合形成圆形柱状结构，再在温度敏感材料外加铠装保护层制成D形聚合物光纤探头。
具体的，步骤S2中，D形结构面制作完成后采用异丙醇进行清洗。
具体的，步骤S3中，温度敏感材料层采用热敏陶瓷材料、热电偶材料或铂热电阻制成。
一种温度传感器，包括上述的D形聚合物光纤探头，在D形聚合物光纤探头的入射光路上设置有斩波器，D形聚合物光纤探头与锁相放大器连接，通过锁相放大器将信号放大后传给光电探测器并最终存储在电脑终端，斩波器和光电探测器均与调制器连接。
具体的，斩波器允许通过的光波为195～205Hz。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种D形聚合物光纤探头，在不改变纤芯内部结构的前提下，将任意一段光纤的中部制作成横截面呈规则的D形结构面，且在该D形结构面外敷有温度敏感材料层，D形结构面与温度敏感材料层相配合形成D形柱状结构，这种对称的D形结构，不影响纤芯内部的传输折射，对折射率变化不产生影响，从而能够有效提高理论分析的准确性，测量灵敏度高。
进一步地，在纤芯的外部还包覆铠装保护层，该铠装保护层包覆区域纤芯中部D形柱状区段，有效起到保护作用。
进一步地，D形耦合区段中半径为240～600μm，经实验证明，D形耦合区段的半径越小灵敏度越高，D形结构区域长度L越长，灵敏度越高。
本发明还公开了一种D形聚合物光纤探头的制备方法，采用磨砂打磨的方式，可以实时量测，便于精确控制D形结构长度、D形截面尺寸，磨砂单侧打磨的方式能够有效提高精确度。同时，通过磨砂打磨的方式，能够去掉光纤的外包层，提高其传感灵敏度。
本发明还公开了一种温度传感器，基于上述的D形聚合物光纤探头，其粗细均匀的D形结构，不影响纤芯内部的传输折射，对折射率变化不产生影响，从而能够有效提高理论分析的准确性，测量灵敏度高。
综上所述，本发明D形聚合物光纤探头基于聚合物光纤损耗机制的高精度传感测量可用于需要获取温度实时数据的各种场合，采用本发明D形聚合物光纤探头制备的温度传感器结构简单，成本低廉，灵敏度高，反应迅速等优点。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
【附图说明】
图1为本发明D形聚合物光纤探头剖面结构示意图；
图2为本发明D形聚合物光纤探头双锥形区域结构示意图；
图3为本发明D形聚合物光纤探头立体结构示意图；
图4为本发明的D形聚合物光纤温度传感器的实验装置示意图。
其中：1.纤芯；2.外包层；3.光纤外被；4.D形结构面；5.温度敏感材料层；6.铠装保护层；7.光源；8.斩波器；9.D形聚合物光纤探头；10.锁相放大器；11.调制器；12.光电探测器；13.电脑终端。
【具体实施方式】
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图2和图3，本发明提供了一种D形聚合物光纤探头，包括光纤内核和光纤外被3，光纤内核由纤芯1和外包层2组成。
在光纤探头的任意一段上，纤芯1的两端为圆柱状，中部为双锥形耦合区段，耦合区段为横截面呈规则的D形结构面4，在D形结构面4外敷有温度敏感材料层5，D形结构面4与温度敏感材料层5相配合形成圆形柱状结构。
D形耦合区段中部锥区纤芯1的半径d0为240～600μm。
D形耦合区段的长度为10～100mm。
温度敏感材料层5包括热敏陶瓷材料、热电偶材料和铂热电阻。
热敏陶瓷材料包括：PTC、NTC热敏电阻陶瓷、CTR临界温度热敏电阻陶瓷、PCT陶瓷发热体等。温度(热)敏感陶瓷材料都是经过陶瓷半导体化，有单晶半导体陶瓷和多晶半导体陶瓷材料。
热电偶材料包括：铂铑-铂铑、铂-铂铑、铜-康铜、镍铬-镍硅、镍铬-康铜等。
优选地，在纤芯1的外部还包覆铠装保护层6，该铠装保护层6包覆区域包括纤芯1中部D形柱状区段。
本发明公开了一种D形聚合物光纤探头的制备方法，光纤传感双锥形结构部分可以通过切剪、砂纸仔细打磨形成，具体步骤如下：
S1、光纤探头包括光纤内核和光纤外被3，光纤内核由纤芯1和外包层2组成，选择光纤探头上任意一段，用剥线钳去除光纤外被3；
S2、将去除光纤外被3后裸露的纤芯1表面的一侧用砂纸来回打磨直至形成D形柱且直径粗细均匀的D形结构面4，然后用砂纸来回打磨弧形所在的侧面，主要目的就是去除纤芯的外包层2；
裸露的纤芯1表面用320型号砂纸仔细打磨。采用单侧打磨的方式，保证加工的D形结构部分截面保持粗细均匀，中心区域可采用粗一级磨细后再用细砂纸重复打磨光滑，打磨过程中可以随时用游标卡尺测量中心区域尺寸，便于精确控制D形结构长度、截面尺寸，直到形成粗细均匀并符合目标直径尺寸的D形结构面4，如图2所示，传感长度L，中心半径d0。
加工完成形成的D形区域用异丙醇进行清洗。
S3、在D形结构面4区段外敷上温度敏感材料层5，使D形结构面4与温度敏感材料层5相配合形成圆形的柱状结构。
在D形结构面4区段外层敷上温度敏感材料5，使外形呈D形柱形状，温度敏感材料5外加上铠装保护层6。
上述D形的耦合区段中央区半径d0为240～600μm，D形耦合区段的中央区半径d0越小灵敏度越高。
D形耦合区段长度L可以在10～100mm之间。
请参阅图4，一种基于上述D形聚合物光纤探头的温度传感器，包括斩波器8、D形聚合物光纤探头9、锁相放大器10、调制器11、光电探测器12及电脑终端13；
斩波器8设置在光源7和D形聚合物光纤探头9之间，位于D形聚合物光纤探头9的入射光光路上，D形探头9通过锁相放大器10依次与光探测器12和电脑终端13连接，通过锁相放大器10将信号放大后传给光探测器12并最终存储在电脑终端13，调制器11分别连接斩波器8和光电探测器12，
光源7通过斩波器8进入D形探头9，斩波器8允许195～205Hz的光通过。
锁相放大器10将信号接收并放大，反应区间温度发生变化会导致传感光纤的传输能量变化，传输能量的变化与周围环境(温度)的变化关系就是光纤传感的基本原理。
锁相放大器10主要是将实验数据获取系统，并去除噪音和干扰。
光电探测器12将光信号转换成电信号后存入信号处理单元进行数据存储单元数据处理并存储进电脑13即可得到温度变化情况。
描述光纤模式数的表达式被定义为V值如下：
其中，λ代表光源的波长；r代表纤芯的有效半径；n1代表纤芯的折射率；n2代表外界环境的折射率。
聚合物光纤折射率受温度、应变等外界因素的影响很大。传感的工作原理是通过沿光纤内部多次反射衰减全内反射。在光纤探头和外部环境的界面中，形成了一个衰减的电场，称为衰减波。环境折射率的变化会影响到衰减场的强度。
通过对本申请D形长度和粗细程度进行的优化设计，能够有效提高测量灵敏度，为这种成本低廉的D形聚合物光纤温度传感器适用于温度实时监控的各种场合提供理论及实验依据，有利于本发明D形聚合物光纤温度传感器的推广应用。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种D形聚合物光纤探头，其特征在于：包括外部设置有光纤外被(3)的光纤内核，光纤内核由内向外依次包括纤芯(1)和外包层(2)，在光纤探头的任意一段上，纤芯(1)的两端为圆柱状结构，中部为双锥形耦合区段，耦合区段的横截面呈规则的D形结构面(4)，在D形结构面(4)外设置有温度敏感材料层(5)，D形结构面(4)和温度敏感材料层(5)配合形成D形柱状结构。
2.根据权利要求1所述的一种D形聚合物光纤探头，其特征在于：纤芯(1)的外部还设置有铠装保护层(6)。
3.根据权利要求2所述的一种D形聚合物光纤探头，其特征在于，铠装保护层(6)包覆区域包括纤芯(1)中部D形柱状区域。
4.根据权利要求1所述的一种D形聚合物光纤探头，其特征在于：耦合区段中部D形锥区纤芯(1)的半径为240～600μm。
5.根据权利要求1所述的一种D形聚合物光纤探头，其特征在于：耦合区段的长度为10～100mm。
6.一种制备根据权利要求1至5中任一项所述D形聚合物光纤探头的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、用剥线钳去除光纤探头上的光纤外被；
S2、将步骤S1去除光纤外被后裸露的纤芯表面一侧打磨成水平形成D形结构面，然后去除D形结构面弧形侧的外包层；
S3、在D形结构面外敷温度敏感材料层，使D形结构面与温度敏感材料层相配合形成圆形柱状结构，再在温度敏感材料外加铠装保护层制成D形聚合物光纤探头。
7.根据权利要求6所述的一种D形聚合物光纤探头的制备方法，其特征在于：步骤S2中，D形结构面制作完成后采用异丙醇进行清洗。
8.根据权利要求6所述的一种D形聚合物光纤探头的制备方法，其特征在于：步骤S3中，温度敏感材料层采用热敏陶瓷材料、热电偶材料或铂热电阻制成。
9.一种温度传感器，其特征在于：包括权利要求1至5中任一项所述的D形聚合物光纤探头(9)，在D形聚合物光纤探头(9)的入射光路上设置有斩波器(8)，D形聚合物光纤探头(9)与锁相放大器(10)连接，通过锁相放大器(10)将信号放大后传给光电探测器(12)并最终存储在电脑终端(13)，斩波器(8)和光电探测器(12)均与调制器(11)连接。
10.根据权利要求9所述的一种温度传感器，其特征在于：斩波器(8)允许通过的光波为195～205Hz。
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