PbSe量子点液芯光纤温度传感器的制作及温度检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种PbSe量子点液芯光纤温度传感器的制作及温度检测方法。制作方法分为选定多种尺寸的胶体PbSe量子点，制备胶体PbSe量子点溶液，将胶体PbSe量子点温度敏感荧光材料溶液和三氯乙烯溶液分别注入型号相同的空心光纤中并进行封装，完成胶体PbSe量子点液芯光纤敏感元件的制作，构建胶体PbSe量子点液芯光纤温度传感器等五个步骤。温度检测方法分为制作胶体PbSe液芯光纤温度传感器，标定胶体PbSe量子点液芯光纤温度传感器，应用胶体PbSe量子点液芯光纤温度传感器进行多点温度检测等三个步骤。本发明所设计的装置可实现多点的温度检测，所采用的荧光材料成本低、使用寿命长、高量子产率，所设计的温度传感器制作成本低、结构简单、稳定性好。
【专利说明】PbSe量子点液芯光纤温度传感器的制作及温度检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及温度检测和光纤温度传感器领域，涉及一种胶体PbSe量子点液芯光纤温度传感器件的结构设计、制作和多点温度检测的方法。
【背景技术】
[0002]随着光纤测温技术的兴起，光纤温度传感器得到广泛的研究及应用。光纤具有不带电、体积小、质量轻、易弯曲、抗辐射性能好等优点。同时其作为传输材料，具有工作频率宽、动态范围大等优势。光纤温度传感器与传统的温度传感器相比，具有诸多优点:光波不产生电磁干扰、易被各种探测器件接收、可进行光电或电光转换、易与高度发展的现代电子装置相匹配等。其被广泛的应用于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下。
[0003]光纤温度传感器主要分为分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、光纤荧光温度传感器、干涉型光纤温度传感器等，而其中光纤荧光温度传感器是目前研究较为活跃的新型光纤温度传感器。目前，光纤荧光温度传感器主要使用稀土材料或有机材料作为荧光材料，不仅成本高、使用寿命受环境因素影响，同时其波长范围无法满足一些探测器接收范围。胶体半导体量子点材料是一种新型的荧光材料，与传统光纤荧光温度传感器使用的荧光材料相比，具有使用寿命长、成本低、荧光量子产率高、尺寸可调的发射光谱等独有优势，可作为新型的光转换材料。胶体硒化铅(PbSe)量子点在近红外区域具有很强的量子限域和高量子产率(>85% )，而且其荧光性质与温度直接相关。因此，胶体PbSe量子点作为光纤温度传感器的荧光转换材料显示出良好的应用前景。
[0004]基于上述背景，研制新型的传感方法，设计具有成本低、寿命长、光量子产率高、发射光谱域宽等优点的胶体PbSe量子点光纤荧光温度传感器件，有助于推动温度检测技术的进一步发展。经查找，制作基于胶体PbSe量子点液芯光纤敏感元件的胶体PbSe量子点液芯光纤温度传感器，并实现温度检测的方法在国内外未见有相关报道。
【发明内容】
[0005]为了克服光纤荧光温度传感器存在的荧光材料寿命受环境因素影响、成本昂贵、低量子产率、波长域窄等缺点，本发明提供一种PbSe量子点液芯光纤温度传感器的制作及温度检测方法，该方法采用胶体PbSe量子点作为光纤中的温度敏感荧光材料，利用其尺寸、温度依赖的光致发光性质和特定尺寸的胶体PbSe量子点发射光谱强度与温度的一一对应关系，采用一系列工艺方法，制作基于胶体PbSe量子点液芯光纤温度敏感元件，并构建胶体PbSe量子点液芯光纤温度传感器。在胶体PbSe量子点液芯光纤温度传感器中，将温度依赖的多点液芯光纤敏感元件输出的光信号，通过光电器件转换为电信号，经由放大器放大、A/D转换器、单片机采集和数据处理后，传输给显示器显示读数，实现温度的多点检测。本发明所构建的胶体PbSe量子点液芯光纤温度传感器的温度检测范围是(TC?90°C，分辨率为0.1°C。
[0006]本发明采用如下技术方案实现的，结合【专利附图】
【附图说明】如下:
[0007]1、PbSe量子点液芯光纤温度传感器的制造方法,其特征在于,使用胶体PbSe量子点作为温度敏感荧光材料，制作一种多个温度敏感元件串联组合的胶体PbSe量子点液芯光纤温度敏感元件，并基于此种敏感元件设计一种适用于多点温度检测的光纤温度传感器，PbSe量子点液芯光纤温度传感器的制造方法如下:
[0008]第一步、选定多种尺寸的胶体PbSe量子点:选取光电探测器，要求胶体PbSe量子点液芯光纤敏感兀件输出的光信号，即胶体PbSe量子点的发射光谱中心波长,落在光电探测器响应光谱的中心区域；选定胶体PbSe量子点的吸收光谱第一激子吸收峰中心波长后，
根据公式 1,
【权利要求】
1.PbSe量子点液芯光纤温度传感器的制造方法，其特征在于，使用胶体PbSe量子点作为温度敏感荧光材料，制作一种多个温度敏感元件串联组合的胶体PbSe量子点液芯光纤温度敏感元件，并基于此种敏感元件设计一种适用于多点温度检测的光纤温度传感器，PbSe量子点液芯光纤温度传感器的制造方法如下: 第一步、选定多种尺寸的胶体PbSe量子点:选取光电探测器，要求胶体PbSe量子点液芯光纤敏感兀件输出的光信号，即胶体PbSe量子点的发射光谱中心波长,落在光电探测器响应光谱的中心区域；选定胶体PbSe量子点的吸收光谱第一激子吸收峰中心波长后，根据八 _p.1 τ% f、aChth )- 】43?73公式 I，D〔mn)=-
、 ,281.25 计算出相应的胶体PbSe量子点尺寸，公式I中λ为胶体PbSe量子点的吸收光谱第一激子吸收峰中心波长，D为胶体PbSe量子点的尺寸；通过尺寸调谐，胶体PbSe量子点发射光谱中心波长范围到900?2200nm ； 第二步、制备胶体PbSe量子点溶液:根据第一步所得到的胶体PbSe量子点的尺寸，制备相应尺寸的胶体PbSe量子点溶液，并将其分别于三氯乙烯溶液进行混合，生成胶体PbSe量子点与三氯乙烯混合溶液，即胶体PbSe量子点温度敏感荧光材料溶液，其浓度根据实际要求确定； 第三步、将胶体PbSe量子点温度敏感荧光材料溶液和三氯乙烯溶液分别注入型号相同的空心光纤中，并进行封装:选取多段光纤型号相同但长度不同的空心光纤，光纤长度根据实际需要确定；将制备的胶体PbSe量子点与三氯乙烯混合溶液以及三氯乙烯溶液通过液压注入法分别注入到每一段光纤中，光纤中注入的试剂类型根据实际要求决定；将每段光纤的端口通过无影胶，即Ultrav1let Rays glue进行封装,无影胶的厚度为50 μ m?100 μ m ； 第四步、完成胶体PbSe量子点液芯光纤敏感元件的制作:将每两段光纤之间使用耦合连接器进行连接，以注入胶体PbSe量子点温度敏感荧光材料的光纤、注入三氯乙烯溶液的光纤的方式进行连接，让注入尺寸小的胶体PbSe量子点温度敏感荧光材料的光纤段比注入尺寸较大的胶体PbSe量子点温度敏感荧光材料的光纤段更靠近光学选品系统(4)，至此完成了多点温度检测液芯光纤敏感元件的制作； 第五步、构建胶体PbSe量子点液芯光纤温度传感器:构建由激光器(I)、准直耦合透镜(2)、多点检测的胶体PbSe量子点液芯光纤敏感元件(3)、光学选品系统(4)、信号转换处理系统(5)、单片机控制采集系统￠)、显示器(7)组成的胶体PbSe量子点液芯光纤温度传感器；其中光学选品系统(4)包括与胶体PbSe量子点发射光谱的中心波长相同的近红外光滤光片，其由多组不同滤光片组成，可通过电机带动滤光片的位置，以实现对胶体PbSe量子点不同发射光谱的峰值波长选品的目的；信号转换处理系统(5)包括接收胶体PbSe量子点发射光谱波长的探测器、放大器和A/D转换器；单片机控制系统(6)包括电机，它通过单片机对电机发出指令，从而控制滤光片的转换。
2.根据权利要求1所述的PbSe量子点液芯光纤温度传感器的制造方法，其特征在于，所述的多个胶体PbSe量子点液芯光纤温度敏感元件分别使用多种尺寸胶体PbSe量子点作为温度敏感荧光材料，多种尺寸胶体PbSe量子点发射光谱的中心波长需要保持一定间隔，避免发生光谱信号的重叠，影响温度检测的精度。
3.根据权利要求1所述的PbSe量子点液芯光纤温度传感器的制造方法，其特征在于，所选取的无影胶能够透过近红外光和可见光，并起到密封的作用；所选取的三氯乙烯溶液起到全反射的作用，并且不吸收可见光和近红外光。
4.根据权利要求1所述的PbSe量子点液芯光纤温度传感器的制造方法，其特征在于，通过注入胶体PbSe量子点的浓度调整胶体PbSe量子点液芯光纤敏感元件中PbSe量子点的发射强度，从而控制系统的输出电压。
5.—种PbSe量子点液芯光纤温度传感器的温度检测方法,其特征在于,提出一种基于胶体PbSe液芯光纤温度传感器的多点温度检测方法，具体检测方法如下: 第一步、制作胶体PbSe液芯光纤温度传感器； 第二步、标定胶体PbSe量子点液芯光纤温度传感器:首先选取一段注入有胶体PbSe量子点的光纤段进行标定，对其进行加热，系统会输出一个电压值，同时使用钼电阻温度传感器测量胶体PbSe量子点的光纤段加热后的温度，完成一组数据的采集；使用此方法，多次采集数据，选取其中一组数据作为标准值，然后使用数值拟合法，得出公式2，
T (°C ) = aU (V) +b 其中T为被测物体温度，U为检测系统输出的电压，a、b为常数；通过测量的温度和电压值，计算出公式2中的a、b，依据a、b的值及公式2，进行胶体PbSe量子点液芯光纤敏感元件中该段光纤的标定；然后对其余注入其他尺寸胶体PbSe量子点的光纤段重复上述标定过程，分别进行数值拟合，得出多组a、b的值，带入公式2，实现胶体PbSe量子点液芯光纤温度传感器的标定； 第三步、应用胶体PbSe量子点液芯光纤温度传感器进行多点温度检测:胶体PbSe量子点液芯光纤敏感元件(3)中含有多个填充有胶体PbSe量子点与三氯乙烯混合溶液的部分，将这些部分放置于不同的被测物区域上，被测物区域从左到右依次编号为I，II...，其中能够测定温度的物体数量由光纤中胶体PbSe量子点与三氯乙烯混合溶液的数量决定；测定区域I的温度，打开激光器(I)，射出一束激光，激光通过准直、耦合透镜(2)进入到多点检测的胶体PbSe量子点液芯光纤敏感元件(3)中，多点检测的胶体PbSe量子点液芯光纤敏感元件(3)被激发所辐射出的红外光经由光学选品系统(4)、信号转换处理系统(5)、单片机控制系统(6)后，在显示器(7)上输出读数；此时，光学选品系统(4)中的滤光片过滤掉与液芯光纤敏感元件中胶体PbSe量子点发射光谱的中心波长不一致的波长；最后，应用公式2计算得出区域I的实时温度；当测定区域II的温度时，单片机控制采集系统(6)对电机发出指令，电机带动滤光片旋转，旋转成发射光谱的中心波长与检测区域II光纤段的胶体PbSe量子点发射光谱的中心波长一致的滤光片，再使用上述方法测定区域II的温度，依照上述方法实现多区域温度的检测。
6.根据权利要求5所述的一种PbSe量子点液芯光纤温度传感器的温度检测方法,其特征在于，所述的胶体PbSe量子点在光纤中依然具有温度尺寸依赖性，当选取的胶体PbSe量子点尺寸一定，其发射光谱的强度与温度有一一对应的关系，且两者成线性关系，因此光信号被探测器转换为电信号后，温度与系统输出电压依然成线性关系。
【文档编号】G01K11/32GK104165706SQ201410405996
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年8月15日 优先权日:2014年8月15日
【发明者】张宇, 王鹤林, 吴华, 于伟泳, 王一丁, 张铁强, 王国光 申请人:吉林大学