专利名称：一种反射式光纤温度传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光纤传感领域，尤其涉及一种反射式光纤温度传感器。
背景技术：
光纤温度传感器在工业生产，航天等领域有着广泛的应用前景。它的探头和仪表 分离，采用光纤作为光路，能在恶劣环境下进行非接触式、非破坏性以及远距离测量，增加 了传感器的环境适应能力，并利用了光纤本身具有的优点，如长距离低损耗、易弯曲、体积 小、重量轻、成本低、防水、防火、耐腐蚀、抗电磁干扰等。同时，它还便于与计算机相连，实现 智能化和远距离监控，不少情况下能够完成传统传感器很难完成甚至不能完成的任务。目前已出现多种光纤温度传感器。例如辐射型光纤温度传感器，其理论依据是普 朗克辐射定律，它对高温物体具有很高的灵敏度，但无法应用于低温区域；荧光测温型光纤 温度传感器，它利用荧光寿命与温度对应关系来测量温度，但只适用于低温区；吸收式温度 传感器，它利用半导体晶体薄片(如砷化镓等)吸收光谱的温变特性制成，该种传感器存在 着结构复杂、制作成本较高，且测温范围相对较窄的不足。这些传感器的测温系统大多采用 光强调制的方式，光源和光探测器性能的稳定和光纤耦合效率变动对这些系统测量精度影 响非常大。中国专利CN101598609A公开了一种光纤温度传感器，在蓝宝石光纤的端面上蒸 镀一层ZnO薄膜作为温度敏感元件，其测温范围为10 1000K。但是这种光纤温度传感器 在实际测温时需要和普通石英光纤耦合，不可避免地存在多处端面损耗从而降低了总耦合 效率。此外该光纤温度传感器由于采用了透射式光路，在实际测量中，光源和光探测装置必 须分置在传感器的两端，这种检测光路的配置方式在多数测试环境下难以实现，不利于做 成可随意安插于所需测温环境中的便携式产品。发明内容本实用新型针对传统光纤温度传感器的上述缺点，提供了一种集高温和低温测试 功能为一体的反射式光纤温度传感器。一种反射式光纤温度传感器，包括套管、位于套管一端的蓝宝石等腰直角三棱镜 和位于套管另一端的凸透镜，所述的蓝宝石等腰直角三棱镜的斜边面朝向套管的内侧，蓝 宝石等腰直角三棱镜的斜边面上设有ZnO薄膜；凸透镜相对于蓝宝石等腰直角三棱镜的 另一侧设有用于传输光线的光纤，光纤的端面与凸透镜的距离为凸透镜的焦距，光纤的端 面位于凸透镜的焦点处；所述的凸透镜的光轴垂直于蓝宝石等腰直角三棱镜的斜边面，凸透镜的光轴与蓝 宝石等腰直角三棱镜的斜边面的交点大致位于蓝宝石等腰直角三棱镜的斜边面的中心；蓝 宝石等腰直角三棱镜熔点为2318K，ZnO薄膜的熔点为2248K，使得该反射式光纤温度传感 器的测温范围为10 1800K(-263 1527°C )，可以满足一般实际工况下高、低温测量要 求。[0008]所述的蓝宝石等腰直角三棱镜的斜边面的晶轴取向为(0001)，由于(0001)晶向 的蓝宝石(Al2O3)具有与ZnO相同的六方纤锌矿晶体结构，与ZnO热匹配相对较好，作为生 长基底容易得到大尺寸、高质量的ZnO薄膜。优选的，所述的套管和凸透镜均为蓝宝石材质，由于蓝宝石和ZnO—样具有耐高 温和化学性能稳定等优点，在经过高、低温前后光谱曲线几乎没有任何变化。此外，蓝宝石 的光学吸收边在可见波段，ZnO薄膜的光学吸收边在紫外(360-380nm)波段，两者不会相互 影响，可有效地减小损耗，提高测量精度。实际测量时，凸透镜一侧的光纤连接光源和光线探测装置、数据采集分析装置，由 于光纤的直径相对于凸透镜的表面积很�。杂谕雇妇担庀说亩嗣婵梢缘刃桓龅愎� 源。由于光纤的端面与凸透镜的距离为凸透镜的焦距，并位于凸透镜的焦点处，光纤端面发 出的光线经凸透镜后，变成与凸透镜的光轴相平行的光线，并垂直于蓝宝石等腰直角三棱 镜的斜边面入射。由于蓝宝石的折射率为1.762 1.770，其临界角为34. 4 34. 6°，进 入蓝宝石等腰直角三棱镜对两个直角边面的入射角均为45°，超过了蓝宝石的临界角，而 在两个直角边面都会发生全反射。在两个直角边面发生全发射后，以平行光的形式垂直于 斜边面出射，经凸透镜的汇聚作用，汇聚到凸透镜焦点处的光纤端面，并由数据采集装置接 收。本实用新型采用三棱镜改变光路的原理，将经ZnO薄膜吸收后的透射光转换至跟 入射光在传感器的同一侧，使得光源和光线探测装置均可设置于传感器的同侧，有利于在 一些特殊的测温场合(如对液面、地表温度的检测)安置检测光路。同时采用三棱镜、凸透 镜、位于凸透镜焦点的光纤端面相配合的结构不仅有效降低了入射光的发散损耗，提高了 光源利用率，且易于做成便携式微型化产品，只要配合适当的光源及光谱仪即可置于各种 环境场合中进行温度测量。本实用新型的测温原理是基于ZnO薄膜的光学吸收温变特性。ZnO为一种半导体 材料，其禁带宽度会随着温度而变化。当有光线通过ZnO薄膜时，ZnO薄膜会吸收光线中能 量超过其禁带宽度的光子能量，使光线的光强减弱。在不同的温度下，由于ZnO薄膜的禁带 宽度不同而使得光线光强的变化也不同。通过测量入射光线和经ZnO薄膜吸收后的透射光 线之间光强，可以推算出环境温度。在10 1800K温度范围内，ZnO的禁带宽度能量Eg (T)与温度T的关系为Eg(T) = Eg(O)+r T2/(Τ+β)(1)式(1)中，Eg(T)和Eg(O)分别是温度为TK和OK时SiO的禁带宽度，单位是eV，r 和β是两个与ZnO材料本身有关的常量，单位分别是eVK—^K。ZnO所吸收的光的波长为
权利要求1.一种反射式光纤温度传感器，其特征在于，包括套管、位于套管一端的蓝宝石等腰直 角三棱镜和位于套管另一端的凸透镜，所述的蓝宝石等腰直角三棱镜的斜边面朝向套管的 内侧，蓝宝石等腰直角三棱镜的斜边面上设有ZnO薄膜。
2.根据权利要求1所述的反射式光纤温度传感器，其特征在于，所述的蓝宝石等腰直 角三棱镜斜边面的晶轴取向为(0001)。
3.根据权利要求1所述的反射式光纤温度传感器，其特征在于，所述的ZnO薄膜的晶轴 取向为(0002)。
4.根据权利要求1所述的反射式光纤温度传感器，其特征在于，所述的凸透镜的光轴 垂直于所述的蓝宝石等腰直角三棱镜的斜边面。
5.根据权利要求4所述的反射式光纤温度传感器，其特征在于，所述的凸透镜的光轴 与所述的蓝宝石等腰直角三棱镜的斜边面的交点大致位于蓝宝石等腰直角三棱镜的斜边 面的中心。
6.根据权利要求1所述的反射式光纤温度传感器，其特征在于，所述的套管为蓝宝石 材质。
7.根据权利要求1所述的反射式光纤温度传感器，其特征在于，所述的凸透镜为蓝宝 石材质。
8.根据权利要求5所述的反射式光纤温度传感器，其特征在于，所述的凸透镜相对于 蓝宝石等腰直角三棱镜的另一侧设有用于传输光线的光纤，光纤的端面位于凸透镜的焦点 处。
9.根据权利要求8所述的反射式光纤温度传感器，其特征在于，光线垂直于蓝宝石等 腰直角三棱镜的斜边面入射，并在两个直角边面上发生全反射。
10.根据权利要求1 9所述的任一种反射式光纤温度传感器，其特征在于，所述的反 射式光纤温度传感器的测温范围为10 1800K。
专利摘要本实用新型公开了一种反射式光纤温度传感器，包括套管、位于套管一端的蓝宝石等腰直角三棱镜和位于套管另一端的凸透镜。蓝宝石等腰直角三棱镜的斜边面为C轴取向且朝向套管的内侧，蓝宝石等腰直角三棱镜的斜边面上设有ZnO薄膜。凸透镜的光轴垂直于蓝宝石等腰直角三棱镜的斜边面，其与蓝宝石三棱镜的斜边面的交点大致位于蓝宝石三棱镜的斜边面中心。凸透镜相对于蓝宝石等腰直角三棱镜的另一侧设有用于传输光线的光纤，光纤的端面位于凸透镜的焦点处。该光纤温度传感器的测温范围为10～1800K。本实用新型结构简单、操作方便、成本较低、测温范围广，有较好的测量准确性和稳定性。
文档编号G01K11/32GK201837483SQ201020240410
公开日2011年5月18日 申请日期2010年6月25日 优先权日2010年6月25日
发明者刘玉玲, 夏娟, 徐天宁, 隋成华 申请人:浙江工业大学
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
