[发明专利]基于多孔薄膜的光纤温度传感器及其制备和测量方法

说明书

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。