專利名稱：一種反射式光纖溫度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖傳感領(lǐng)域，尤其涉及一種反射式光纖溫度傳感器。
背景技術(shù)：
光纖溫度傳感器在工業(yè)生產(chǎn)，航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。它的探頭和儀表 分離，采用光纖作為光路，能在惡劣環(huán)境下進(jìn)行非接觸式、非破壞性以及遠(yuǎn)距離測量，增加 了傳感器的環(huán)境適應(yīng)能力，并利用了光纖本身具有的優(yōu)點，如長距離低損耗、易彎曲、體積 小、重量輕、成本低、防水、防火、耐腐蝕、抗電磁干擾等。同時，它還便于與計算機(jī)相連，實現(xiàn) 智能化和遠(yuǎn)距離監(jiān)控，不少情況下能夠完成傳統(tǒng)傳感器很難完成甚至不能完成的任務(wù)。目前已出現(xiàn)多種光纖溫度傳感器。例如輻射型光纖溫度傳感器，其理論依據(jù)是普 朗克輻射定律，它對高溫物體具有很高的靈敏度，但無法應(yīng)用于低溫區(qū)域；熒光測溫型光纖 溫度傳感器，它利用熒光壽命與溫度對應(yīng)關(guān)系來測量溫度，但只適用于低溫區(qū)；吸收式溫度 傳感器，它利用半導(dǎo)體晶體薄片(如砷化鎵等)吸收光譜的溫變特性制成，該種傳感器存在 著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制作成本較高，且測溫范圍相對較窄的不足。這些傳感器的測溫系統(tǒng)大多采用 光強(qiáng)調(diào)制的方式，光源和光探測器性能的穩(wěn)定和光纖耦合效率變動對這些系統(tǒng)測量精度影 響非常大。中國專利CN101598609A公開了一種光纖溫度傳感器，在藍(lán)寶石光纖的端面上蒸 鍍一層ZnO薄膜作為溫度敏感元件，其測溫范圍為10 1000K。但是這種光纖溫度傳感器 在實際測溫時需要和普通石英光纖耦合，不可避免地存在多處端面損耗從而降低了總耦合 效率。此外該光纖溫度傳感器由于采用了透射式光路，在實際測量中，光源和光探測裝置必 須分置在傳感器的兩端，這種檢測光路的配置方式在多數(shù)測試環(huán)境下難以實現(xiàn)，不利于做 成可隨意安插于所需測溫環(huán)境中的便攜式產(chǎn)品。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對傳統(tǒng)光纖溫度傳感器的上述缺點，提供了一種集高溫和低溫測試功能 為一體的反射式光纖溫度傳感器。一種反射式光纖溫度傳感器，包括套管、位于套管一端的藍(lán)寶石等腰直角三棱鏡 和位于套管另一端的凸透鏡，所述的藍(lán)寶石等腰直角三棱鏡的斜邊面朝向套管的內(nèi)側(cè)，藍(lán) 寶石等腰直角三棱鏡的斜邊面上設(shè)有ZnO薄膜；凸透鏡相對于藍(lán)寶石等腰直角三棱鏡的另 一側(cè)設(shè)有用于傳輸光線的光纖，光纖的端面與凸透鏡的距離為凸透鏡的焦距，光纖的端面 位于凸透鏡的焦點處；所述的凸透鏡的光軸垂直于藍(lán)寶石等腰直角三棱鏡的斜邊面，凸透鏡的光軸與藍(lán) 寶石等腰直角三棱鏡的斜邊面的交點大致位于藍(lán)寶石等腰直角三棱鏡的斜邊面的中心；藍(lán) 寶石等腰直角三棱鏡熔點為2318K，ZnO薄膜的熔點為2248K，使得該反射式光纖溫度傳感 器的測溫范圍為10 1800K(-263 1527°C )，可以滿足一般實際工況下高、低溫測量要 求。
所述的藍(lán)寶石等腰直角三棱鏡的斜邊面的晶軸取向為(0001)，由于(0001)晶向 的藍(lán)寶石(Al2O3)具有與ZnO相同的六方纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，與ZnO熱匹配相對較好，作為生 長基底容易得到大尺寸、高質(zhì)量的ZnO薄膜。優(yōu)選的，所述的套管和凸透鏡均為藍(lán)寶石材質(zhì)，由于藍(lán)寶石和ZnO—樣具有耐高 溫和化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點，在經(jīng)過高、低溫前后光譜曲線幾乎沒有任何變化。此外，藍(lán)寶石 的光學(xué)吸收邊在可見波段，ZnO薄膜的光學(xué)吸收邊在紫外(360-380nm)波段，兩者不會相互 影響，可有效地減小損耗，提高測量精度。實際測量時，凸透鏡一側(cè)的光纖連接光源和光線探測裝置、數(shù)據(jù)采集分析裝置，由 于光纖的直徑相對于凸透鏡的表面積很小，對于凸透鏡，光纖的端面可以等效為一個點光 源。由于光纖的端面與凸透鏡的距離為凸透鏡的焦距，并位于凸透鏡的焦點處，光纖端面發(fā) 出的光線經(jīng)凸透鏡后，變成與凸透鏡的光軸相平行的光線，并垂直于藍(lán)寶石等腰直角三棱 鏡的斜邊面入射。由于藍(lán)寶石的折射率為1.762 1.770，其臨界角為34. 4 34. 6°，進(jìn) 入藍(lán)寶石等腰直角三棱鏡對兩個直角邊面的入射角均為45°，超過了藍(lán)寶石的臨界角，而 在兩個直角邊面都會發(fā)生全反射。在兩個直角邊面發(fā)生全發(fā)射后，以平行光的形式垂直于 斜邊面出射，經(jīng)凸透鏡的匯聚作用，匯聚到凸透鏡焦點處的光纖端面，并由數(shù)據(jù)采集裝置接 收。本發(fā)明采用三棱鏡改變光路的原理，將經(jīng)ZnO薄膜吸收后的透射光轉(zhuǎn)換至跟入射 光在傳感器的同一側(cè)，使得光源和光線探測裝置均可設(shè)置于傳感器的同側(cè)，有利于在一些 特殊的測溫場合(如對液面、地表溫度的檢測)安置檢測光路。同時采用三棱鏡、凸透鏡、 位于凸透鏡焦點的光纖端面相配合的結(jié)構(gòu)不僅有效降低了入射光的發(fā)散損耗，提高了光源 利用率，且易于做成便攜式微型化產(chǎn)品，只要配合適當(dāng)?shù)墓庠醇肮庾V儀即可置于各種環(huán)境 場合中進(jìn)行溫度測量。本發(fā)明的測溫原理是基于ZnO薄膜的光學(xué)吸收溫變特性。ZnO為一種半導(dǎo)體材料， 其禁帶寬度會隨著溫度而變化。當(dāng)有光線通過ZnO薄膜時，ZnO薄膜會吸收光線中能量超 過其禁帶寬度的光子能量，使光線的光強(qiáng)減弱。在不同的溫度下，由于ZnO薄膜的禁帶寬度 不同而使得光線光強(qiáng)的變化也不同。通過測量入射光線和經(jīng)ZnO薄膜吸收后的透射光線之 間光強(qiáng)，可以推算出環(huán)境溫度。在10 1800K溫度范圍內(nèi)，ZnO的禁帶寬度能量Eg (T)與溫度T的關(guān)系為Eg(T) = Eg(O)+r T2/(Τ+β)(1)式(1)中，Eg(T)和Eg(O)分別是溫度為TK和OK時ZnO的禁帶寬度，單位是eV，r 和β是兩個與ZnO材料本身有關(guān)的常量，單位分別是eVK—1、K。ZnO所吸收的光的波長為
(2)式(2)中，Ag(T)是ZnO的吸收邊波長，h為普朗克常量，c為光速。由(1)和⑵ 可知 入射光光強(qiáng)Itl與經(jīng)ZnO薄膜吸收后的透射光光強(qiáng)I之間的關(guān)系為I = I0exp (- α d)(4)
式(4)中，α為ZnO薄膜的吸收系數(shù)，d為ZnO薄膜的厚度。α可表示為α hv = A (hv_Eg)1/2 [hv > Eg](5)式(5)中，A是與ZnO材料本身有關(guān)的常數(shù)，hv為被ZnO吸收的光子能量，Eg
的禁帶寬度，它隨溫度而變化。由式(5)可以看出，(^^)2與^成線性關(guān)系。用！；表示 ZnO薄膜的透射率，則從根據(jù)公式(4)可推導(dǎo)出…(6) d d以hv為χ軸、以(ahv)2為y軸畫出(α hv)2_hv關(guān)系曲線，此曲線近似為一條直 線，將此直線外推延長至χ軸即可確定禁帶寬度Eg，并根據(jù)式(1)確定溫度。本發(fā)明的優(yōu)點在于其結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、成本較低、測溫范圍廣。同時，相比以往 的強(qiáng)度調(diào)制型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器易受光學(xué)損耗和光源微擾的影響，該傳感器結(jié)構(gòu)還有 助于提高測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。


圖1是實施例中一種反射式光纖溫度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是實施例中制備的ZnO薄膜的AFM圖像；圖3是實施例中制備的ZnO薄膜的XRD圖像；圖4是實施例中進(jìn)行測溫的實驗裝置圖；圖5是ZnO薄膜禁帶寬度與溫度關(guān)系擬合曲線。
具體實施例方式如圖1所示，一種反射式光纖溫度傳感器，包括藍(lán)寶石套管3、位于藍(lán)寶石套管3 — 端的藍(lán)寶石等腰直角三棱鏡1和位于藍(lán)寶石套管3另一端的藍(lán)寶石凸透鏡4，藍(lán)寶石等腰 直角三棱鏡1的斜邊面的晶軸取向為(0001)，且藍(lán)寶石等腰直角三棱鏡1的斜邊面朝向套 管3的內(nèi)側(cè)，藍(lán)寶石等腰直角三棱鏡1的斜邊面上鍍有ZnO薄膜2，ZnO薄膜2的晶軸取向 為(0002)，厚度約為5OOnm ；藍(lán)寶石凸透鏡4相對于藍(lán)寶石等腰直角三棱鏡1的另一側(cè)設(shè)有用于傳輸光線的光 纖5，光纖5的端面6位于藍(lán)寶石凸透鏡4的焦點處；藍(lán)寶石凸透鏡4的光軸垂直于藍(lán)寶石等腰直角三棱鏡1的斜邊面，藍(lán)寶石凸透鏡 的光軸與藍(lán)寶石等腰直角三棱鏡1的斜邊面的交點位于藍(lán)寶石等腰直角三棱鏡1的斜邊面 的中心。本實施例中ZnO薄膜的制備方法為(1)將藍(lán)寶石三棱鏡用無水乙醇超聲清洗1次，用去離子水超聲清洗3次，每次超 聲清洗后用去離子水反復(fù)沖洗，去除表面無機(jī)物和有機(jī)物；(2)將藍(lán)寶石三棱鏡置于比例為H2SO4 H3PO4 = 3 1(體積比)的混合溶液中 水浴加熱到80°C浸泡15分鐘，以去除表面油污及其他污染物；(3)將藍(lán)寶石三棱鏡用去離子水反復(fù)沖洗6次并以99. 999%的高純氮?dú)獯蹈桑?速放入鍍膜機(jī)的真空室中的基座上。鍍膜機(jī)采用北京北儀創(chuàng)新真空技術(shù)有限責(zé)任公司生產(chǎn) 的ZZSX-500D型鍍膜機(jī)。靶材采用高純ZnO粉末(99. 99% )經(jīng)研磨、鍛壓、在1350°C下燒結(jié)12小時制成的ZnO陶瓷。將鍍膜機(jī)的真空室抽至1. OX 10_3Pa，將基座加熱至200°C，并 恒溫生長1小時，在藍(lán)寶石三棱鏡的斜邊面上生成一層厚度約為500nm的ZnO薄膜。用原子力顯微鏡(AFM)觀察ZnO薄膜的表面形貌，如圖2所示。測試儀器為日本 精工株式會社生產(chǎn)的SPA400型原子力顯微鏡。觀測樣品的區(qū)間為5. 0 μ mX5. 0 μ m。從圖 2可以看出，利用電子束蒸發(fā)技術(shù)所制備的納米級ZnO薄膜表面比較平整致密，粗糙度小， 其最大粗糙度約為7. 323nm，顆粒大小為IOOnm到200nm之間。光滑的表面形貌將使該ZnO 薄膜在可見光區(qū)域具有較高的透射率。用XRD測試ZnO薄膜的衍射圖譜，如圖3所示，測試儀器為荷蘭帕納科公司生產(chǎn)的 V PERT PRO型多功能X射線衍射儀，波長為0. 15418nm。圖3中，B為半高寬，可以看出， 二倍衍射角為34. 588°的Zn0(0002)晶面的衍射峰非常強(qiáng)，說明生長的ZnO薄膜具有明顯 的C軸擇優(yōu)取向性。在生長過程中，(0002)晶面不斷生長，從而抑制其它晶面的生長。合 適的基底材料和生長溫度的選擇，保證了吸附的ZnO原子有適當(dāng)?shù)哪芰亢蜁r間遷移到能量 較低的(0002)晶格位置。圖4是使用圖1所示反射式光纖溫度傳感器進(jìn)行測溫的實驗裝置圖。由于ZnO薄 膜2的吸收波長主要是在360 380nm波段，該波段為紫外線波段，因此所采用的光源在紫 外波段要有較強(qiáng)光強(qiáng)。光強(qiáng)太弱，就不能準(zhǔn)確觀察ZnO薄膜2的吸收邊隨溫度變化情況。光 源選擇光纖耦合式多LED組合光源，它具有多個波長的光強(qiáng)輸出，可以提供從300 450nm 的連續(xù)光譜，其最佳激發(fā)波長在紫外波段。光源發(fā)出的激勵光經(jīng)Y型耦合器一端進(jìn)入溫度傳感器的光纖5，由于光纖5的端 面6位于藍(lán)寶石凸透鏡4的焦點處，這些光線經(jīng)過藍(lán)寶石凸透鏡4后變成平行光線，并垂直 于藍(lán)寶石等腰直角三棱鏡1的斜邊面入射。在藍(lán)寶石等腰直角三棱鏡1的兩個直角邊面發(fā) 生全發(fā)射后，以平行光的形式垂直于斜邊面出射，經(jīng)藍(lán)寶石凸透鏡4的匯聚作用，匯聚到藍(lán) 寶石凸透鏡4焦點處的端面6。這些經(jīng)過鍍于藍(lán)寶石等腰直角三棱鏡1的斜邊面上ZnO薄 膜2兩次吸收的光線經(jīng)Y型耦合頭的另一端被光纖光譜儀探測到，并傳送到計算機(jī)上進(jìn)行 數(shù)據(jù)處理。光纖光譜儀的選擇也要充分考慮到ZnO薄膜2的光學(xué)吸收邊波長，因此要采用在 380nm附近波段有較高響應(yīng)度的光纖光譜儀，從而獲得較大的光強(qiáng)輸出。實驗中采用的光纖 光譜儀為美國海洋公司生產(chǎn)的USB4000光纖光譜儀。圖5為ZnO薄膜的禁帶寬度與溫度關(guān)系的實驗數(shù)據(jù)擬合圖。通過數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn)， ZnO薄膜的禁帶寬度與溫度之間的關(guān)系基本呈現(xiàn)線性關(guān)系，線性度達(dá)到98. 3%以上，并滿 足方程 EJT) = Eg(O)+bT，Eg(O) = 3. 4086eV，b 為擬合常數(shù)，等于-5. 0158 X ΙΟ—、—1。該實 驗結(jié)果進(jìn)一步證明該反射式光纖溫度傳感器測量的可靠性。
權(quán)利要求
一種反射式光纖溫度傳感器，其特征在于，包括套管、位于套管一端的藍(lán)寶石等腰直角三棱鏡和位于套管另一端的凸透鏡，所述的藍(lán)寶石等腰直角三棱鏡的斜邊面朝向套管的內(nèi)側(cè)，藍(lán)寶石等腰直角三棱鏡的斜邊面上設(shè)有ZnO薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射式光纖溫度傳感器，其特征在于，所述的藍(lán)寶石等腰直 角三棱鏡斜邊面的晶軸取向為(0001)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射式光纖溫度傳感器，其特征在于，所述的ZnO薄膜的晶軸 取向為(0002)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射式光纖溫度傳感器，其特征在于，所述的凸透鏡的光軸 垂直于所述的藍(lán)寶石等腰直角三棱鏡的斜邊面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的反射式光纖溫度傳感器，其特征在于，所述的凸透鏡的光軸 與所述的藍(lán)寶石等腰直角三棱鏡的斜邊面的交點大致位于藍(lán)寶石等腰直角三棱鏡的斜邊 面的中心。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射式光纖溫度傳感器，其特征在于，所述的套管為藍(lán)寶石 材質(zhì)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射式光纖溫度傳感器，其特征在于，所述的凸透鏡為藍(lán)寶 石材質(zhì)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的反射式光纖溫度傳感器，其特征在于，所述的凸透鏡相對于 藍(lán)寶石等腰直角三棱鏡的另一側(cè)設(shè)有用于傳輸光線的光纖，光纖的端面位于凸透鏡的焦點 處。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的反射式光纖溫度傳感器，其特征在于，光線垂直于藍(lán)寶石等 腰直角三棱鏡的斜邊面入射，并在兩個直角邊面上發(fā)生全反射。
10.根據(jù)權(quán)利要求1 9所述的任一種反射式光纖溫度傳感器，其特征在于，所述的反 射式光纖溫度傳感器的測溫范圍為10 1800K。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種反射式光纖溫度傳感器，包括套管、位于套管一端的藍(lán)寶石等腰直角三棱鏡和位于套管另一端的凸透鏡。藍(lán)寶石等腰直角三棱鏡的斜邊面為C軸取向且朝向套管的內(nèi)側(cè)，藍(lán)寶石等腰直角三棱鏡的斜邊面上設(shè)有ZnO薄膜。凸透鏡的光軸垂直于藍(lán)寶石等腰直角三棱鏡的斜邊面，其與藍(lán)寶石三棱鏡的斜邊面的交點大致位于藍(lán)寶石三棱鏡的斜邊面中心。凸透鏡相對于藍(lán)寶石等腰直角三棱鏡的另一側(cè)設(shè)有用于傳輸光線的光纖，光纖的端面位于凸透鏡的焦點處。該光纖溫度傳感器的測溫范圍為10～1800K。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、成本較低、測溫范圍廣，有較好的測量準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
文檔編號G02B5/04GK101881672SQ20101021148
公開日2010年11月10日 申請日期2010年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月25日
發(fā)明者劉玉玲, 夏娟, 徐天寧, 隋成華 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)