[发明专利]基于纳米荧光材料的光纤温度传感器及测量系统

说明书

本发明公开了一种基于纳米荧光材料的光纤温度传感器及测量系统，该光纤温度传感器包括相互连接的端面平整的多模光纤(1)和空芯光纤(2)以及荧光材料体(4)。本发明的光纤温度传感器结构分为(a)反射式光纤温度传感器结构和(b)透射式光纤温度传感器结构。将基于纳米荧光材料的光纤温度传感器作为传感单元，搭建基于纳米荧光材料的光纤温度传感测量系统，包括980nm泵浦光源(5)、基于纳米荧光材料的反射式光纤温度传感器(6)或基于纳米荧光材料的透射式光纤温度传感器(10)、光纤耦合器(9)、光谱仪(7)和计算机(8)，利用反射光谱或激光实现了温度测量及处理。与现有技术相比，本发明具有较高的温度测量灵敏度。

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别涉及一种基于纳米荧光材料的光纤温度传感器及其测量系统。

背景技术

在许多工程应用领域中，例如土木工程、航空航天及复合材料等更多领域中，需要得到器件温度的变化信息。最常见的温度测量采用如光纤荧光温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、折射率光纤温度传感器、双折射型光纤温度传感器、吸收式光纤温度传感器以及基于瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射的分布式温度传感器等。

1985年开始使用钕玻璃作为敏感材料制作的一种基于荧光余辉寿命的温度传感器。 1995年，使用铒掺杂光纤实现了在宽动态范围内的点式温度传感器。2009年浙江大学制作出了掺杂Cr³⁺的蓝宝石单晶光纤，利用该光纤作传感头，利用探测荧光寿命的方法对其荧光温度特性进行了研究，该传感器所测量温度范围为0℃-300℃，测量精度小于 0.5℃，适用于中低温的测量。2013年南开大学将不同峰值波长的荧光物质分别填充到几段微结构光纤的中心孔中，并且从理论和实验中证明了可见光可以分别在未填充和填充有荧光物质的微结构PCF中进行传输。波长为532nm的激发光激发微结构光纤中的荧光物质产生不同峰值波长的荧光，产生的荧光通过置于光纤侧面的CCD进行收集。该实验为分布式荧光温度传感器的研究提供了一定的基础。

发明内容

为了克服现有传感器所存在的光损耗导致的光信号强度不强、温度灵敏度不太高的不足，基于上述技术问题，本发明提出一种基于纳米荧光材料的光纤温度传感器及测量系统，利用荧光材料的高光热稳定性、高信噪比、无背景噪声干扰等优点，实现稳定且高灵敏度的温度测量。

本发明为解决上述问题而采取的技术方案如下：

一种基于纳米荧光材料的反射式光纤温度传感器，该传感器包括相互熔接的第一多模光纤1和空芯光纤2；其中，所述空芯光纤2内部充入荧光材料体4，从而构成传感单元；

所述第一多模光纤1，用于将光源发出的光传输至所述传感单元；

所述空芯光纤2，用于保证激光进入所述传感单元内的荧光材料体4，所激发出的信号光形成反射，输出用于温度测量的反射光。

一种基于纳米荧光材料的透射式光纤温度传感器，该传感器包括依序熔接的第一多模光纤1、空芯光纤2和第三多模光纤3；其中，所述空芯光纤2内部充入荧光材料体 4，从而构成传感单元；

所述第一多模光纤1，用于将光源发出的光传输至所述传感单元，

所述空芯光纤2，用于保证激光进入所述传感单元，激发出信号光并输出形成部分反射，反射光用于温度测量；

所述第二多模光纤3，用于将经过所述传感单元输出的光源光激发的激发光耦合回第二多模光纤3，并传输。

一种基于纳米荧光材料的反射式光纤温度传感器测量系统，该系统包括依序连接的 980nm泵浦光源5、光纤耦合器9、光谱仪7和计算机8，所述光纤耦合器9连接所述基于纳米荧光材料的反射式光纤温度传感器6；所述基于纳米荧光材料的反射式光纤温度传感器包括相互熔接的第一多模光纤1和空芯光纤2，所述空芯光纤2内部充入荧光材料体4，从而构成传感单元；其中：