CN111289140A - 基于光纤结构的温度传感器及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤结构的温度传感器及系统，具体涉及温度检测装置领域。本发明提供的基于光纤结构的温度传感器，该温度传感器包括：光纤、第一金属层、热膨胀层、第二金属层；第一金属层和第二金属层均设置在光纤内部，第一金属层、第二金属层和光纤的内壁形成一腔体，腔体设置有热膨胀层，光纤的两端分别为光的入射端口和出射端口，在对温度进行测量的时候，温度使热膨胀层的体积发生膨胀，进而热膨胀层挤压腔体，使得该腔体的两边发生倾斜，即该第一金属层和第二金属层发生倾斜，进而使得光穿过该第一金属层和第二金属层时，出射光的透射光谱会因腔体变形而发生变化，从而可以根据该结构透射光谱的变化，来测量温度的变化。

Description

基于光纤结构的温度传感器及系统

技术领域

本发明涉及温度检测装置领域，具体涉及一种基于光纤结构的温度传感器及系统。

背景技术

温度是表征物体冷热程度的物理量，无论是在日常生活还是工农业生产中都是一个重要的影响参数。而温度的监测对提高产品的质量、生产效率、节约能源和生产安全等都起到了非常重要的作用。因此温度传感器的产生，有效的的帮助人们对实现对温度的测量。温度传感器是最早开发并且应用最广的一类传感器，温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量。很多材料、元件的特性都随温度的变化而变化，所以能做温度传感器的材料比较多，温度传感器引起的物理变化参数有：电阻电容、光学特性、膨胀等，随着科技的发展，新型的温度传感器还会不断涌现。

光纤温度传感器一种新型的温度传感器，它具有测量精度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、可绕性好、防爆防燃等优点，弥补了普通传感器不能在易燃易爆环境下使用的缺点。目前主流的的光纤传感器主要有分布式光纤温度传感器和光纤荧光温度传感器，虽然测量精度有所提升，但是大多数的的温度传感器结构和制造工艺还比较复杂，因此，需要研究一款测量精度高且结构简单的温度传感器出现。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种基于光纤结构的温度传感器及系统，以解决现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请提供一种基于光纤结构的温度传感器，温度传感器包括：光纤、第一金属层、热膨胀层、第二金属层；第一金属层和第二金属层均设置在光纤内部，第一金属层、第二金属层和光纤的内壁形成一腔体，腔体设置有热膨胀层，光纤的两端分别为光的入射端口和出射端口。

可选的，该热膨胀层为两层，体积较大的一层的热膨胀材料膨胀系数小于体积较小的一层的热膨胀系数。

可选的，该热温度传感器还包括石墨烯层，石墨烯层设置在腔体内壁上。

可选的，该第一金属层、第二金属层和光纤的内壁形成一腔体形成的腔体形状为锥形。

可选的，该第一金属层、第二金属层和光纤的内壁形成的锥形腔体夹角大小为20度～40度。

可选的，该热膨胀层为质地透明的热膨胀材料。

可选的，该第一金属层和第二金属层均为金属纳米结构阵列。

可选的，该热金属纳米结构由贵金属银制成。

可选的，该第一金属层和第二金属层厚度为30nm～50nm。

第二方面，本申请还提供了一种基于光纤结构的温度传感系统，温度传感系统包括：激光器、探测器和第一方面任意一项的温度传感器，激光器和探测器分别连接在光纤的入射端口和出射端口。

本发明的有益效果是：

本发明提供的基于光纤结构的温度传感器，该温度传感器包括：光纤、第一金属层、热膨胀层、第二金属层；第一金属层和第二金属层均设置在光纤内部，第一金属层、第二金属层和光纤的内壁形成一腔体，腔体设置有热膨胀层，光纤的两端分别为光的入射端口和出射端口，在对温度进行测量的时候，温度使热膨胀层的体积发生膨胀，进而热膨胀层挤压腔体，使得该腔体的两边发生倾斜，即该第一金属层和第二金属层发生倾斜，进而使得光穿过该第一金属层和第二金属层时，出射光的透射光谱会因腔体变形而发生变化，从而可以根据该结构透射光谱的变化，来测量温度的变化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为发明实施例提供的一种光纤温度传感器的结构示意图；

图2为发明实施例提供的另一种光纤温度传感器的结构示意图；

图3为发明实施例提供的一种光纤温度传感器的结构示意图。

图标：10-光纤；20-第一金属层；30-热膨胀层；40-第二金属层；50-石墨烯层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一金属板实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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。

为了使本发明的实施过程更加清楚，下面将会结合附图进行详细说明。

图1为发明实施例提供的一种光纤温度传感器的结构示意图；如图1所示，本申请提供一种基于光纤结构的温度传感器，温度传感器包括：光纤10、第一金属层20、热膨胀层30、第二金属层40；第一金属层20和第二金属层40均设置在光纤10内部，第一金属层20、第二金属层40和光纤10的内壁形成一腔体，腔体设置有热膨胀层30，光纤10的两端分别为光的入射端口和出射端口。

该温度传感器包括光纤10、第一金属层20、热膨胀层30、第二金属层40，该第一金属层20和第二金属层40与光纤10的内壁构成了一腔体，该腔体内设置有热膨胀层30，在对温度进行测量的时候，由于该热膨胀层30遇热膨胀，温度使热膨胀层30的体积发生膨胀，进而热膨胀层30挤压腔体，使得该腔体的两边发生倾斜，即该第一金属层20和第二金属层40发生倾斜，进而使得光穿过该第一金属层20和第二金属层40时，出射光的透射光谱会因腔体变形而发生变化，从而可以根据该结构透射光谱的变化，来测量温度的变化，此外，金属层采用贵金属材料，金属有较好的导热性，且金属层设置成斜面，更有利于热膨胀材层受热均匀，因此可以使测量更精准，需要说明的是，该透射光谱的变化与温度的对应关系根据实验测量得到，在此不做多余赘述，需要说明的是，该温度传感器采用金属层构成填充热膨胀材料的腔室，一是可以满足光通过时产生较强的共振效果，二是因为金属自身较好的导热效果，且金属层设置成斜面，更有利于上下层热膨胀材料受热均匀，使测量的精度更加准确；因为光学测量具有灵敏度高等优点，所以本发明提供的温度传感器具有测量结果准确的优点。在应用时，光被耦合进光纤10内，其传播特性不受外界环境影响，所以，基于本原理的温度传感器具有适用范围广的优点。

图2为发明实施例提供的另一种光纤温度传感器的结构示意图；如图2所示，可选的，该热膨胀层30为两层，体积较大的一层的热膨胀材料膨胀系数小于体积较小的一层的热膨胀系数。

将该热膨胀层30分为两层，即两层的体积一大一小，当该热膨胀层30受热时，若该两层热膨胀层30的膨胀系数相同，则该体积较大的一部分热膨胀层30的膨胀的体积远大于该体积较小的一部分，则将该体积较大的一层的热膨胀材料膨胀系数小于体积较小的一层的热膨胀系数，使得两层热膨胀层30在受热膨胀的时候膨胀均匀，这样温度变化时，更容易挤压第一金属层20和第二金属层40向两边倾斜，这样，透射光谱会因温度的改变更加灵敏的变化，从而增加测量的灵敏度和精确度。以此类推，锥形腔体中填充的热膨胀材料也可以两层、三层和多层，从上到下膨胀系数增加，可以有效的提高测量灵敏度。

图3为发明实施例提供的一种光纤温度传感器的结构示意图；如图3所示，可选的，该热温度传感器还包括石墨烯层50，石墨烯层50设置在腔体内壁上。

该石墨烯层50设置在腔体内壁上，使得该石墨烯层50构成该腔体的内壁，石墨烯不仅有利于传递热，使热膨胀材料受热更加均匀，而且温度能够改变石墨烯的折射率，因为石墨烯在金属层的附近，从而改变金属层的共振波长，这样就产生了两方面的调控效果：一方面使金属层倾斜，调控透射系数；一方面改变共振波长，调控透射峰的位置，使测量更加的精准。

可选的，该第一金属层20、第二金属层40和光纤10的内壁形成一腔体形成的腔体形状为锥形。

可选的，该第一金属层20、第二金属层40和光纤10的内壁形成的锥形腔体夹角大小为20度～40度。

该第一金属层20和该光纤10的内壁的夹角为70度-80度，该第二金属层40和该光纤10的内壁的夹角为160度-170度，此时该第一金属层20、第二金属层40和光纤10的内壁形成的锥形腔体夹角大小为20度～40度，一般的该锥形腔体夹角可以为20度，30度和40度。

可选的，该热膨胀层30为质地透明的热膨胀材料。

光通过该光纤10的入射端口进入该第一金属层20，之后进入该热膨胀层30，之后进入该第二金属层40，最后通过输出端口射出，当该热膨胀层30为质地透明的热膨胀材料，使得光通过该温度传感器的透射率更高，从而使得该温度传感器对温度的检测更加准确。

可选的，该第一金属层20、和第二金属层40均为金属纳米结构阵列。

该第一金属层20和第二金属层40的金属纳米阵列可以为方形阵列，可以为圆形阵列，还可以为其他阵列，在此不做具体限定。

可选的，该热金属纳米结构由贵金属银制成。

可选的，该第一金属层20和第二金属层40厚度为30nm～50nm。

该第一金属层20和该第二金属层40的厚度均为30nm～50nm。，该第一金属层20和该第二金属层40的厚度可以为30nm，可以为40nm，还可以为50nm。

本发明提供的基于光纤结构的温度传感器，该温度传感器包括：光纤10、第一金属层20、热膨胀层30、第二金属层40；第一金属层20和第二金属层40均设置在光纤10内部，第一金属层20、第二金属层40和光纤10的内壁形成一腔体，腔体设置有热膨胀层30，光纤10的两端分别为光的入射端口和出射端口，在对温度进行测量的时候，温度使热膨胀层30的体积发生膨胀，进而热膨胀层30挤压腔体，使得该腔体的两边发生倾斜，即该第一金属层20和第二金属层40发生倾斜，进而使得光穿过该第一金属层20和第二金属层40时，出射光的透射光谱会因腔体变形而发生变化，从而可以根据该结构透射光谱的变化，来测量温度的变化。

本申请还提供了一种基于光纤结构的温度传感系统，温度传感系统包括：激光器、探测器和第一方面任意一项的温度传感器，激光器和探测器分别连接在光纤10的入射端口和出射端口。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光纤结构的温度传感器，其特征在于，所述温度传感器包括：光纤、第一金属层、热膨胀层、第二金属层；所述第一金属层和所述第二金属层均设置在所述光纤内部，所述第一金属层、所述第二金属层和所述光纤的内壁形成一腔体，所述腔体设置有所述热膨胀层，所述光纤的两端分别为光的入射端口和出射端口。

2.根据权利要求1所述的基于光纤结构的温度传感器，其特征在于，所述热膨胀层为两层，体积较大的一层的热膨胀材料膨胀系数小于体积较小的一层的热膨胀系数。

3.根据权利要求1所述的基于光纤结构的温度传感器，其特征在于，所述温度传感器还包括石墨烯层，所述石墨烯层设置在所述腔体内壁上。

4.根据权利要求1所述的基于光纤结构的温度传感器，其特征在于，所述第一金属层、第二金属层和所述光纤的内壁形成一腔体形成的腔体形状为锥形。

5.根据权利要求4所述的基于光纤结构的温度传感器，其特征在于，所述第一金属层、所述第二金属层和所述光纤的内壁形成的锥形腔体夹角大小为20度～40度。

6.根据权利要求1所述的基于光纤结构的温度传感器，其特征在于，所述热膨胀层为质地透明的热膨胀材料。

7.如权利要求1所述的一种基于光纤结构的温度传感器，其特征在于，所属第一金属层和第二金属层均为金属纳米结构阵列。

8.如权利要求1所述的一种基于光纤结构的温度传感器，其特征在于，所述金属纳米结构由贵金属银制成。

9.如权利要求1所述的一种基于光纤结构的温度传感器，其特征在于，所述第一金属层和所述第二金属层厚度为30nm～50nm。

10.一种基于光纤结构的温度传感系统，其特征在于，所述温度传感系统包括：激光器、探测器和权利要求1-9任意一项所述的温度传感器，所述激光器和所述探测器分别连接在所述光纤的入射端口和出射端口。

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