一种耐高温掺杂光纤温度传感器的制作方法

本发明涉及温度检测设备领域，特别一种耐高温掺杂光纤温度传感器。

背景技术：

光纤自20世纪70年代问世以来，随着科学技术的发展，涌现了许许多多的耐高温掺杂光纤温度传感器。光纤具有体积小、重量轻、结构灵活，抗电磁干扰、电绝缘的优点。目前耐高温掺杂光纤温度传感器主要包括光纤布拉格光栅(fbg)温度传感器、半导体吸收式耐高温掺杂光纤温度传感器和光纤法布里-波罗腔干涉式温度传感器等。

其中，光纤布拉格光栅温度传感器是通过精密工艺在光纤中进行雕刻，使光纤内的折射率成周期性分布，形成光纤布拉格光栅(fbg)。当外界因素变化时，光纤光栅的有效折射率和光栅常数会发生变化，从而导致fbg特征波长的变化，因此光纤光栅温度传感器是利用布拉格波长对温度的敏感特性而制成的一种光纤传感器。但光纤布拉格光栅温度传感器采用波长调制，导致解调系统复杂，以及容易引起温度-应力交叉感应的问题。

半导体吸收型耐高温掺杂光纤温度传感器是利用半导体材的吸收光谱随温度变化而变化的特性实现的，当光通过半导体薄膜时，如果入射光子能量超过半导体导带和价带之间的禁带宽度时，半导体薄膜就会对通过的光产生吸收。因此可以通过测量半导体吸收的光强或者光谱测量环境温度变化。但半导体吸收式耐高温掺杂光纤温度传感器存在对信号传输光纤要求高，通常需要特制大孔径光纤；而且由于光纤与半导体薄膜是间接耦合，光耦合效率远小于光纤与光纤直接熔接耦合；半导体膜片制作过程也较复杂，工艺要求较高；由于半导体吸收是导带和价带之间的电子跃迁吸收，吸收波段在紫外和可见光波段的短波段。因此要求紫外宽带光源，价格昂贵，对光纤要求也较高，且测量的精度较低，通常只有±1℃。

技术实现要素：

技术问题：为了解决现有技术的缺陷，本发明提供了一种耐高温掺杂光纤温度传感器。

技术方案：本发明提供的一种耐高温掺杂光纤温度传感器，包括光源(1)、分光路器(2)、参考光路(3)、敏感光路(4)、光功率计(5)、数据处理和存储装置(6)；所述参考光路(3)、敏感光路(4)并联，其一端与分光路器(2)、光源(1)依次连接，另一端与光功率计(5)、数据处理和存储装置(6)依次连接；参考光路(3)和敏感光路(4)均为敏感光纤。

作为改进，所述敏感光纤为耐高温包层掺杂蓝宝石晶体材料光纤，其包括掺杂蓝宝石光纤纤芯以及包覆于掺杂蓝宝石光纤纤芯外的包层材料；所述包层材料为掺杂多晶氧化铝和er³⁺的多组分磷酸盐玻璃，所述掺杂蓝宝石光纤纤芯材料为多掺杂蓝宝石激光晶体材料，所述多掺杂蓝宝石激光晶体为cr⁴⁺/ho³⁺/mg²⁺/ti³⁺:al2o3。

作为改进，cr⁴⁺、ho³⁺、mg²⁺的摩尔比为(3-5)：(1-3)：1。

作为改进，所述cr⁴⁺、ho³⁺、mg²⁺的总摩尔数与ti³⁺:al2o3摩尔数之比为(2-4)：100。

作为改进，所述掺杂多晶氧化铝和er3+的多组分磷酸盐玻璃中，多晶氧化铝的掺量为5-15重量份，er³⁺的掺量为0.5-1.5重量份，以重量份计。

作为改进，所述掺杂多晶氧化铝和er3+的多组分磷酸盐玻璃组成为：p2o5：45～65重量份；k2o：10～20重量份；bao：5～10重量份；al2o3：10～20重量份。

作为改进，所述耐高温包层掺杂蓝宝石晶体材料的制备方法，利用晶体纤维及其包层同步制备设备制得，包括以下步骤：

(1)在下坩埚内装入晶体光纤原料，在上坩埚内装入包层原料；加热下坩埚和上坩埚；

(2)待晶体光纤原料和包层原料融化后在包层柱顶部种籽晶，由于毛细管作用，下坩埚内的晶体光纤原料熔体通过晶体光纤供料成形管达到包层柱顶，籽晶先接触到晶体光纤供料成形管内的晶体光纤原料熔体，开始放肩；

(3)晶体不断生长，由于毛细管作用，上坩埚内的包层原料熔体通过包层供料成形管达到包层柱顶，至晶体接触到包层供料成形管内的包层原料熔体，包层供料成形管内的包层原料熔体附着在光纤晶体外壁生长；从而光纤晶体和包层材料同步生长。

作为改进，所述晶体纤维及其包层同步制备设备，包括下坩埚(1)、上坩埚(2)、坩埚支撑柱(3)、包层柱(4)；所述上坩埚(2)位于下坩埚(1)顶部且下坩埚(1)和上坩埚(2)之间通过坩埚支撑柱(3)连接；所述包层柱(4)一端位于下坩埚(1)内，且竖直穿过上坩埚(2)，另一端位于上坩埚(2)上方；所述包层柱(4)内设有晶体光纤供料成形管(5)和包层供料成形管(6)，所述包层供料成形管(6)为环形管道且环设于晶体光纤供料成形管(5)外。

步骤(1)中，所述晶体光纤原料为al2o3、ti2o3、cro2、ho2o3、mgo。

步骤(1)中，所述包层原料为掺杂多晶氧化铝和er3+的多组分磷酸盐玻璃。

有益效果：本发明提供的耐高温掺杂光纤温度传感器采用掺杂蓝宝石晶体材料作为敏感光纤，包括光纤纤芯以及包覆于光纤纤芯外的包层材料，光纤纤芯制备工艺简单，具有优异的吸收特性和上转换强度，大大提高了蓝宝石光纤的应用范围；包层材料使用掺杂多晶氧化铝和er³⁺的多组分磷酸盐玻璃，成本低，而且可以能够满足全反射的要求；该传感器检测灵敏度高，结果准确。

附图说明

图1为耐高温掺杂光纤温度传感器的结构示意图。

图2为晶体纤维及其包层同步制备设备的结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明作出进一步说明。

制备掺杂蓝宝石激光晶体为cr⁴⁺/ho³⁺/mg²⁺/ti³⁺:al2o3。

实施例1

掺杂蓝宝石激光晶体材料cr⁴⁺/ho³⁺/mg²⁺/ti³⁺:al2o3。

掺杂蓝宝石激光晶体材料中，cr⁴⁺、ho³⁺、mg²⁺的摩尔比为4：2：1；cr⁴⁺、ho³⁺、mg²⁺的总摩尔数与ti³⁺:al2o3摩尔数之比为3：100。

所述掺杂蓝宝石激光晶体材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)在坩埚中部放置中部设有毛细管的晶体生长模具，将原料al2o3、ti2o3、cro2、ho2o3、mgo置于坩埚中，加热坩埚使原料熔化形成熔体；

(2)在模具顶部接籽晶提拉熔体，使籽晶在熔体的交界面上不断进行原子或分子重排，随降温逐渐凝固而生长出与模具边缘形状相同的单晶。

实施例2

掺杂蓝宝石激光晶体材料cr⁴⁺/ho³⁺/mg²⁺/ti³⁺:al2o3。

掺杂蓝宝石激光晶体材料中，cr⁴⁺、ho³⁺、mg²⁺的摩尔比为3：3：1；cr⁴⁺、ho³⁺、mg²⁺的总摩尔数与ti³⁺:al2o3摩尔数之比为4：100。

所述掺杂蓝宝石激光晶体材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)在坩埚中部放置中部设有毛细管的晶体生长模具，将原料al2o3、ti2o3、cro2、ho2o3、mgo置于坩埚中，加热坩埚使原料熔化形成熔体；

(2)在模具顶部接籽晶提拉熔体，使籽晶在熔体的交界面上不断进行原子或分子重排，随降温逐渐凝固而生长出与模具边缘形状相同的单晶。

实施例3

掺杂蓝宝石激光晶体材料cr⁴⁺/ho³⁺/mg²⁺/ti³⁺:al2o3。

掺杂蓝宝石激光晶体材料中，cr⁴⁺、ho³⁺、mg²⁺的摩尔比为5：1：1；cr⁴⁺、ho³⁺、mg²⁺的总摩尔数与ti³⁺:al2o3摩尔数之比为2：100。

所述掺杂蓝宝石激光晶体材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)在坩埚中部放置中部设有毛细管的晶体生长模具，将原料al2o3、ti2o3、cro2、ho2o3、mgo置于坩埚中，加热坩埚使原料熔化形成熔体；

(2)在模具顶部接籽晶提拉熔体，使籽晶在熔体的交界面上不断进行原子或分子重排，随降温逐渐凝固而生长出与模具边缘形状相同的单晶。

测试ti³⁺:al2o3、实施例1至3的掺杂蓝宝石激光晶体材料cr⁴⁺/ho³⁺/mg²⁺/ti³⁺:al2o3的吸收特性。

将样品制成直径1.0mm，长4mm的圆柱形光纤，两面经过仔细抛光后放到光纤耦合器中，以石英灯光源作为光源进行测量，测量光谱范围400-1000nm。结果显示，batio3、实施例1至3的掺杂蓝宝石激光晶体材料cr⁴⁺/ho³⁺/mg²⁺/ti³⁺:al2o3在560nm附近均具有明显的吸收峰，而且，实施例1的掺杂蓝宝石激光晶体材料cr⁴⁺/ho³⁺/mg²⁺/ti³⁺:al2o3在560nm附近的吸收峰最大，实施例2和3的掺杂蓝宝石激光晶体材料cr⁴⁺/ho³⁺/mg²⁺/ti³⁺:al2o3在560nm附近的吸收峰少小；证明：掺杂蓝宝石激光晶体材料cr⁴⁺/ho³⁺/mg²⁺/ti³⁺:al2o3具有比ti³⁺:al2o3更优异的吸收特性。

测测试ti³⁺:al2o3、实施例1至3的掺杂蓝宝石激光晶体材料cr⁴⁺/ho³⁺/mg²⁺/ti³⁺:al2o3的上转换效率。

用560nm的半导体激光器作为泵浦光源，对样品泵浦，并测量个样品的上转换光谱。结果显示：ti³⁺:al2o3有上转换光谱；实施例1至3的掺杂蓝宝石激光晶体材料cr⁴⁺/ho³⁺/mg²⁺/ti³⁺:al2o3上转换光谱强度比ti³⁺:al2o3明显增强很多。

所述晶体纤维及其包层同步制备设备，包括下坩埚(1)、上坩埚(2)、坩埚支撑柱(3)、包层柱(4)；所述上坩埚(2)位于下坩埚(1)顶部且下坩埚(1)和上坩埚(2)之间通过坩埚支撑柱(3)连接；所述包层柱(4)一端位于下坩埚(1)内，且竖直穿过上坩埚(2)，另一端位于上坩埚(2)上方；所述包层柱(4)内设有晶体光纤供料成形管(5)和包层供料成形管(6)，所述包层供料成形管(6)为环形管道且环设于晶体光纤供料成形管(5)外。

制备耐高温包层掺杂蓝宝石晶体材料。

实施例4

耐高温包层掺杂蓝宝石晶体材料，包括掺杂蓝宝石光纤纤芯以及包覆于掺杂蓝宝石光纤纤芯外的包层材料；所述包层材料为掺杂多晶氧化铝和er³⁺的多组分磷酸盐玻璃，所述掺杂蓝宝石光纤纤芯材料为多掺杂蓝宝石激光晶体材料，所述多掺杂蓝宝石激光晶体为cr⁴⁺/ho³⁺/mg²⁺/ti³⁺:al2o3。

掺杂蓝宝石激光晶体为cr⁴⁺/ho³⁺/mg²⁺/ti³⁺:al2o3；其中，cr⁴⁺、ho³⁺、mg²⁺的摩尔比为4：2：1，所述cr⁴⁺、ho³⁺、mg²⁺的总摩尔数与ti³⁺:al2o3摩尔数之比为3：100。

掺杂多晶氧化铝和er3+的多组分磷酸盐玻璃组成为：p2o5：55重量份；k2o：15重量份；bao：7.5重量份；al2o3：15重量份。

所述掺杂多晶氧化铝和er3+的多组分磷酸盐玻璃中，多晶氧化铝的掺量为10重量份，er³⁺的掺量为1重量份，以重量份计。

上述耐高温包层掺杂蓝宝石晶体材料的制备方法，利用晶体纤维及其包层同步制备设备制得，包括以下步骤：

(1)在下坩埚内装入晶体光纤原料，在上坩埚内装入包层原料；加热下坩埚和上坩埚；

(2)待晶体光纤原料和包层原料融化后在包层柱顶部种籽晶，由于毛细管作用，下坩埚内的晶体光纤原料熔体通过晶体光纤供料成形管达到包层柱顶，籽晶先接触到晶体光纤供料成形管内的晶体光纤原料熔体，开始放肩；

(3)晶体不断生长，由于毛细管作用，上坩埚内的包层原料熔体通过包层供料成形管达到包层柱顶，至晶体接触到包层供料成形管内的包层原料熔体，包层供料成形管内的包层原料熔体附着在光纤晶体外壁生长；从而光纤晶体和包层材料同步生长。

实施例5

耐高温包层掺杂蓝宝石晶体材料，包括掺杂蓝宝石光纤纤芯以及包覆于掺杂蓝宝石光纤纤芯外的包层材料；所述包层材料为掺杂多晶氧化铝和er³⁺的多组分磷酸盐玻璃，所述掺杂蓝宝石光纤纤芯材料为多掺杂蓝宝石激光晶体材料，所述多掺杂蓝宝石激光晶体为cr⁴⁺/ho³⁺/mg²⁺/ti³⁺:al2o3。

掺杂蓝宝石激光晶体为cr⁴⁺/ho³⁺/mg²⁺/ti³⁺:al2o3；其中，cr⁴⁺、ho³⁺、mg²⁺的摩尔比为3：3：1，所述cr⁴⁺、ho³⁺、mg²⁺的总摩尔数与ti³⁺:al2o3摩尔数之比为2：100。

掺杂多晶氧化铝和er3+的多组分磷酸盐玻璃组成为：p2o5：45重量份；k2o：20重量份；bao：5重量份；al2o3：20重量份。

所述掺杂多晶氧化铝和er3+的多组分磷酸盐玻璃中，多晶氧化铝的掺量为5重量份，er³⁺的掺量为1.5重量份，以重量份计。

其制备方法同实施例4。

实施例6

耐高温包层掺杂蓝宝石晶体材料，包括掺杂蓝宝石光纤纤芯以及包覆于掺杂蓝宝石光纤纤芯外的包层材料；所述包层材料为掺杂多晶氧化铝和er³⁺的多组分磷酸盐玻璃，所述掺杂蓝宝石光纤纤芯材料为多掺杂蓝宝石激光晶体材料，所述多掺杂蓝宝石激光晶体为cr⁴⁺/ho³⁺/mg²⁺/ti³⁺:al2o3。

掺杂蓝宝石激光晶体为cr⁴⁺/ho³⁺/mg²⁺/ti³⁺:al2o3；其中，cr⁴⁺、ho³⁺、mg²⁺的摩尔比为5：1：1，所述cr⁴⁺、ho³⁺、mg²⁺的总摩尔数与ti³⁺:al2o3摩尔数之比为4：100。

掺杂多晶氧化铝和er3+的多组分磷酸盐玻璃组成为：p2o5：65重量份；k2o：10重量份；bao：10重量份；al2o3：10重量份。

所述掺杂多晶氧化铝和er3+的多组分磷酸盐玻璃中，多晶氧化铝的掺量为15重量份，er³⁺的掺量为0.5重量份，以重量份计。

其制备方法同实施例4。

实施例7

耐高温掺杂光纤温度传感器，见图1，包括光源(1)、分光路器(2)、参考光路(3)、敏感光路(4)、光功率计(5)、数据处理和存储装置(6)；所述参考光路(3)、敏感光路(4)并联，其一端与分光路器(2)、光源(1)依次连接，另一端与光功率计(5)、数据处理和存储装置(6)依次连接；参考光路(3)和敏感光路(4)均为敏感光纤。所述敏感光纤为实施例4至6的耐高温包层掺杂蓝宝石晶体材料光纤。

经检测：该温度传感器可以实现-40℃～+800℃温度测量，测量分辨率优于0.5℃，重复性达到99％。