專利名稱：一種采用熒光材料的遠(yuǎn)距離光纖溫度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種光纖傳感器，更具體地說，涉及一種采用熒光材料的遠(yuǎn)距離光纖溫度傳感器。
背景技術(shù)：
光纖溫度傳感器以其精度高、傳感范圍寬、不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)、生物醫(yī)療、石油化工、工業(yè)微波、電源管理和軍事國防等領(lǐng)域。特別地，利用純光學(xué)原理進(jìn)行參數(shù)測量的熒光光纖溫度傳感器具有傳統(tǒng)傳感技術(shù)所無法比擬的優(yōu)勢而受到越來越多研究人員的關(guān)注。雖然市場上一些熒光光纖溫度傳感器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)，但隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，性能優(yōu)越的熒光材料不斷涌現(xiàn)，傳感器的設(shè)計(jì)面臨著新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。中國實(shí)用新型專利ZL 201020193493. 2公開了一種基于熒光壽命檢測的熒光光纖溫度傳感器，以解決傳統(tǒng)光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、測量精度較低、受光強(qiáng)變化影響大等問題。該熒光光纖溫度傳感器包括光源驅(qū)動電路、熒光激勵光源、光路耦合系統(tǒng)、熒光光纖測溫探頭、熒光信號檢測處理系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)；熒光光纖測溫探頭由傳光光纖、熒光材料和保護(hù)套組成，熒光材料用環(huán)氧膠粘接于傳光光纖的末端，熒光材料和傳光光纖作為整體完全由保護(hù)套包裹。上述實(shí)用新型專利雖然在一定程度上傳統(tǒng)光纖溫度傳感的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、重量高、測量精度較低、測量范圍小，抗腐蝕、抗電磁干擾能力弱等缺點(diǎn)，但其仍存在不足(I)、基于熒光壽命的光纖溫度傳感器在遠(yuǎn)距離非接觸溫度傳感方面受限，不能滿足在惡劣環(huán)境下的物體表面的溫度測量，而且存在工藝復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn)；(2)、包含光路耦合系統(tǒng)，包括多個耦合透鏡，結(jié)構(gòu)顯得復(fù)雜，工作穩(wěn)定性有待提聞。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種小巧簡便、制作成本低、靈敏度高、測溫范圍寬、成本低、溫度穩(wěn)定性好的采用熒光材料的遠(yuǎn)距離光纖溫度傳感器。本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下一種采用熒光材料的遠(yuǎn)距離光纖溫度傳感器，包括光源、光纖、光譜儀，所述的光纖為Y型多模光纖，Y型多模光纖的公共端與出射耦合透鏡相連；反射鏡與被測物體表面接觸，反射鏡的反面設(shè)有熒光粉，同時出射耦合透鏡在反射鏡的反射光路上；γ型多模光纖的分叉端的一端與光源相連，Y型多模光纖的分叉端的另一端與光譜儀相連。作為優(yōu)選，所述的出射耦合透鏡安裝在石英管中，Y型多模光纖的公共端與石英管相連。作為優(yōu)選，所述的反射鏡安裝在石英管中，反射鏡設(shè)有熒光粉的一面倒扣在石英管中，反射鏡的另一面對應(yīng)的位置上安裝有反射耦合透鏡。[0012]作為優(yōu)選，所述的反射鏡是金屬反射鏡。作為優(yōu)選，所述的光譜儀其探測器的響應(yīng)波長范圍在20(Tll00nm。作為優(yōu)選，所述的熒光粉是NaYF4: Yb3+/Er3+。作為優(yōu)選，所述的光源為980nm泵浦光源。作為優(yōu)選，所述的突光粉是粉末狀突光粉。
本實(shí)用新型的有益效果如下采用本實(shí)用新型所述的技術(shù)方案，針對遠(yuǎn)距離非接觸溫度傳感，公開了一種采用熒光材料的遠(yuǎn)距離光纖溫度傳感器。用于測量不同距離的溫度，在惡劣環(huán)境下物體表面溫度的非接觸測量有很大的應(yīng)用前景。本實(shí)用新型所述的裝置小巧簡便、制作成本低，在遠(yuǎn)距離式測溫領(lǐng)域有較高的實(shí)際應(yīng)用價值。本實(shí)用新型將熒光粉摻雜在金屬反射鏡中，使得傳感器整體靈敏度更高、測溫范圍更寬、溫度穩(wěn)定性更好。

圖I是基于本實(shí)用新型的實(shí)驗(yàn)測量的連接示意圖；圖2是基于本實(shí)用新型的低溫實(shí)驗(yàn)測量所得到的的光譜溫度特性圖；圖3是基于本實(shí)用新型的高溫實(shí)驗(yàn)測量所得到的的光譜溫度特性圖；圖4是基于本實(shí)用新型的實(shí)驗(yàn)測量所得到的Er3+離子不同能級熒光發(fā)射峰值隨溫度變化曲線圖；圖5是基于本實(shí)用新型的實(shí)驗(yàn)測量所得到的熒光強(qiáng)度比I519nm/I539nm與I519nm/I653nm的溫度特性圖；圖中I是光源，2是Y型多模光纖，3是光譜儀，4是出射耦合透鏡，5是反射鏡，6是反射耦合透鏡，7是石英管，8是計(jì)算機(jī)，9是溫度控制器，10是箱式電爐。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。一種采用熒光材料的遠(yuǎn)距離光纖溫度傳感器，包括光源I、光纖、光譜儀3，出射耦合透鏡4、反射鏡5。本實(shí)施例中，所述的光纖為Y型多模光纖2，Y型多模光纖2的公共端與出射耦合透鏡4相連，出射耦合透鏡4的出射光路上設(shè)有反射鏡5，同時出射耦合透鏡4在反射鏡5的反射光路上。所述的反射鏡5是金屬反射鏡5，表面設(shè)有熒光粉；所述的熒光粉是粉末狀NaYF4:Yb3+/Er3+熒光粉，摻雜NaYF4: Yb3+/Er3+熒光粉的金屬反射鏡5用作溫度傳感元件。Y型多模光纖2的分叉端的一端與光源I相連，所述的光源I為980nm泵浦光源I。Y型多模光纖2的分叉端的另一端與光譜儀3相連。所述的光譜儀3工作波長能覆蓋50(T700nm。為了達(dá)到更優(yōu)的效果，所述的出射耦合透鏡4安裝在石英管7中，Y型多模光纖2的公共端與石英管7相連。所述的反射鏡5安裝在石英管7中，反射鏡5設(shè)有熒光粉的一面倒扣在石英管7中，反射鏡5的另一面對應(yīng)的位置上安裝有反射耦合透鏡6。980nm泵浦光源I進(jìn)入Y型多模光纖2的一端，經(jīng)過透鏡耦合后將出射的發(fā)散光變成近似平行光束在空間中傳輸，并去激勵NaYF4:Yb3+/Er3+金屬反射鏡5發(fā)射熒光，同樣被激發(fā)的四面八方發(fā)射的熒光經(jīng)過透鏡耦合成近似平行光，經(jīng)原路返回從Y型多模光纖2的另一端導(dǎo)出，由微型光譜儀3檢測并將相應(yīng)的光譜傳輸?shù)接?jì)算機(jī)8上，根據(jù)熒光強(qiáng)度比和溫度的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行定標(biāo)，最后輸出實(shí)測的溫度值。摻雜NaYF4:Yb3+/Er3+熒光粉的金屬反射鏡5制備過程如下用分析天平稱取等比例的NaYF4:Yb3+/Er3+熒光粉、粉末狀修補(bǔ)劑和膠狀修補(bǔ)劑。在干凈的環(huán)境下將NaYF4 = Yb3+/Er3+和粉末狀修補(bǔ)劑兩種粉末置于研缽中充分研磨，再加入膠狀修補(bǔ)劑進(jìn)行二次研磨，將調(diào)成半固體糊狀制成直徑為14_的圓薄片結(jié)構(gòu)粘于金屬反射鏡5的表面,反扣在內(nèi)徑14_、長為13_的石英管7中。在常溫下固化16小時后放置80°C的恒溫箱2小時，此后緩慢升溫至150°C并保持2小時，緩慢冷卻至室溫完成固化。所述的修補(bǔ)劑為超高溫修補(bǔ)劑，是由湖北回天膠業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的HT_767(A型)。所述的修補(bǔ)劑是由金屬、陶瓷、石英、纖維、高韌耐熱樹脂及固化劑組成的聚合金屬、聚合陶瓷類的雙組分材料，當(dāng)兩組分充分混合后通過化學(xué)反應(yīng)形成一種耐磨損、耐腐蝕、抗沖擊的高分子合金及陶瓷涂層。·通過研究發(fā)現(xiàn)，大部分稀土熒光材料、光纖材料在用作傳感器之前，需要進(jìn)行熱處理，以保證傳感器的重復(fù)性和穩(wěn)定性。經(jīng)過熱處理后，傳感器的測量精度和靈敏度也會提高，但對不同的稀土熒光材料，因能承受的最高工作溫度不同，其相應(yīng)熱處理的最高溫度應(yīng)設(shè)定在其最高工作溫度附近，否則材料因受損而使其熒光特性急劇衰退。NaYF4:Yb3+/Er3+熒光粉是采用水熱法進(jìn)行制備的，反應(yīng)的最高溫度在180°C，因此本實(shí)驗(yàn)的熱處理過程是將制備好的帶有熒光金屬反射鏡5的石英管7，放置在恒溫箱中，由室溫緩慢升至180°C并保持8小時。如圖I所示的實(shí)施實(shí)驗(yàn)測量的連接示意圖，采用本實(shí)用新型所述的傳感器，還包括溫度控制器9、箱式電爐10、計(jì)算機(jī)8，測試了 25 180°C溫度下NaYF4:Yb3+/Er3+熒光粉在50(T700nm波段的熒光強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3所示，圖2中的三條曲線，由上至下，分別表示30°C、50°C、70°C時的光譜溫度特性圖。圖3中的五條曲線，由上至下，分別表示90°C、110°C、13(TC、150 V、170 V時的光譜溫度特性圖。從圖中可以看出，當(dāng)溫度從30 °C上升到170 V時，519nm、539nm和653nm上轉(zhuǎn)換發(fā)射峰的中心波長沒有改變。結(jié)合圖4分析各個發(fā)射峰值的隨溫度的變化情況圖4中的三條曲線，由上至下，分別表示519nm、539nm、653nm發(fā)射峰值的熒光強(qiáng)度隨溫度變化曲線圖。由圖4可知，519nm處的熒光強(qiáng)度隨著溫度的升高平緩地先升后降，539nm和653nm這兩個發(fā)射峰的熒光強(qiáng)度隨著溫度的升高而降低，具有明顯的單調(diào)下降趨勢，其中539nm曲線的變化率最大，653nm曲線下降地較為平緩。圖5為在25 180°C溫度范圍內(nèi)，I519nm/I539nm與I519nm/I653nm兩組熒光強(qiáng)度的比值隨溫度變化的特性，圖5中，兩條曲線，由上至下，分別表示I519nm/I653nm、I519raiA539rai熒光強(qiáng)度的比值隨溫度變化的特性曲線。圖5中的實(shí)線部分也是根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得的32個溫度時的熒光強(qiáng)度線性擬合的。由圖 51519nm/I539nm 曲線線性相關(guān)系數(shù)K (I519mi/I539J =0. 9994與曲線κα
519ml/
I653J=O. 9981可知，熒光強(qiáng)度的比值隨溫度是近似線性變化的。從圖中可以直觀的讀出兩條的靈敏度X =^k1-C ;)，1519 /1539 曲線(R(I519nmA539J-T)的靈敏度為 0.00480C S 而Al
)-T)靈敏度是 0.0137°C -1。上述實(shí)施例僅是用來說明本實(shí)用新型，而并非用作對本實(shí)用新型的限定。只要是依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)，對上述實(shí)施例進(jìn)行變化、變型等都將落在本實(shí)用新型的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種采用熒光材料的遠(yuǎn)距離光纖溫度傳感器，包括光源、光纖、光譜儀，其特征在于，所述的光纖為Y型多模光纖，Y型多模光纖的公共端與出射耦合透鏡相連；反射鏡與被測物體表面接觸，反射鏡的反面設(shè)有熒光粉，同時出射耦合透鏡在反射鏡的反射光路上；γ型多模光纖的分叉端的一端與光源相連，Y型多模光纖的分叉端的另一端與光譜儀相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用熒光材料的遠(yuǎn)距離光纖溫度傳感器，其特征在于，所述的出射耦合透鏡安裝在石英管中，Y型多模光纖的公共端與石英管相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用熒光材料的遠(yuǎn)距離光纖溫度傳感器，其特征在于，所述的反射鏡安裝在石英管中，反射鏡設(shè)有熒光粉的一面倒扣在石英管中，反射鏡的另一面對應(yīng)的位置上安裝有反射耦合透鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的采用熒光材料的遠(yuǎn)距離光纖溫度傳感器，其特征在于，所述的反射鏡是金屬反射鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用熒光材料的遠(yuǎn)距離光纖溫度傳感器，其特征在于，所述的光譜儀其探測器的響應(yīng)波長范圍在20(Tll00nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用熒光材料的遠(yuǎn)距離光纖溫度傳感器，其特征在于，所述的熒光粉是 NaYF4 :Yb3+/Er3+。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的采用熒光材料的遠(yuǎn)距離光纖溫度傳感器，其特征在于，所述的光源為980nm泵浦光源。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的采用熒光材料的遠(yuǎn)距離光纖溫度傳感器，其特征在于，所述的熒光粉是粉末狀熒光粉。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種采用熒光材料的遠(yuǎn)距離光纖溫度傳感器，包括光源、光纖、光譜儀，所述的光纖為Y型多模光纖，Y型多模光纖的公共端與出射耦合透鏡相連；反射鏡與被測物體表面接觸，反射鏡的反面設(shè)有熒光粉，同時出射耦合透鏡在反射鏡的反射光路上；Y型多模光纖的分叉端的一端與光源相連，Y型多模光纖的分叉端的另一端與光譜儀相連。本實(shí)用新型所述的裝置小巧簡便、制作成本低，在遠(yuǎn)距離式測溫領(lǐng)域有較高的實(shí)際應(yīng)用價值。本實(shí)用新型將熒光粉摻雜在金屬反射鏡中，使得傳感器整體靈敏度更高、測溫范圍更寬、溫度穩(wěn)定性更好。
文檔編號G01K11/32GK202734999SQ201220402520
公開日2013年2月13日 申請日期2012年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月14日
發(fā)明者董小鵬, 林靜敏 申請人:廈門大學(xué)