光纤温度传感器及其制备方法
【专利摘要】本发明提供了一种光纤温度传感器，包括：去除包层的多模光纤；所述多模光纤以一定的曲率固定在聚合物制品上；所述多模光纤浸于液体中，所述液体的折射率高于所述多模光纤纤芯的折射率。本发明通过将去掉包层的多模光纤以一定的曲率固定在聚合物制品上并浸没与高折射率液体中，使得聚合物制品受热膨胀导致固定在其上的光纤的曲率发生改变，通过测定复合装置在不同温度下的透过谱，通过透过谱峰位移和温度的关系得到该装置的温度灵敏度。
【专利说明】光纤温度传感器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光纤温度传感器的【技术领域】，尤其涉及一种光纤温度传感器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]传感器(英文名称:transducer/sensor)是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
[0003]光纤传感器由于抗电磁干扰、体积小、利于远程操作等诸多优点，在工程中得到大量研究。其基本工作原理为将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化，称为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。
[0004]光纤温度传感器是利用部分物质吸收的光谱随温度变化而变化的原理，分析光纤传输的光谱了解实时温度。目前，光纤温度传感器的结构有布拉格光纤光栅(FBG)，长周期光纤光栅(LPFG)，Fabry-Perot干涉仪和单模-多模-单模(SMS)光纤等。SMS光纤结构是一种基于多模光纤内部模式干涉原理的新型光纤结构，是把一段多模光纤和两段单模光纤熔融而成的，相比与其他结构来说，该结构具有制作简单、成本低等优点。
[0005]对于传感器来说，灵敏度是一个关键的因素，FBG的温度灵敏度为0.01nm/°C，LPFG为0.15nm/°C，普通SMS结构为0.0lnm/°C。因此，SMS结构的传感器虽有众多优点，但其灵敏度不高，因此，现有技术中，大量研究均致力于提高其灵敏度。2010年Wu Qiang等发表在Electronics Letters上的研究通过弯曲SMS光纤来提高其温度灵敏度为0.032nm/°C。但其灵敏度还是不高。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种光纤温度传感器及其制备方法，本发明提供的光纤温度传感器灵敏度高。
[0007]本发明提供了一种光纤温度传感器，包括:
[0008]去除包层的多模光纤；
[0009]所述多模光纤以一定的曲率固定在聚合物制品上；
[0010]所述多模光纤浸于液体中，所述液体的折射率高于所述多模光纤纤芯的折射率。
[0011]优选的，所述多模光纤以一定的曲率固定在聚合物框上，所述曲率大于O。
[0012]优选的，所述多模光纤以一定的曲率固定在第一聚合物层和第二聚合物层之间，所述曲率大于O。
[0013]优选的，所述多模光纤以一定的曲率固定在第一聚合物层和第二聚合物层之间，所述曲率等于0，所述第一聚合物和第二聚合物的热膨胀系数不同。
[0014]优选的，所述多模光纤以一定的曲率固定在聚合物管中，所述曲率大于O。[0015]优选的，所述多模光纤以一定的曲率固定在聚合物层上，所述曲率大于O。
[0016]优选的，所述聚合物选自丙烯酸类树酯、聚酯、聚氨酯、聚烯烃和聚酰亚胺中的一种；所述液体选自苯、二硫化碳、甘油和液晶中的一种。
[0017]优选的，所述多模光纤的长度为0.5?5cm ;所述多模光纤的纤芯直径为40?120 μ m0
[0018]本发明还提供了一种光纤温度传感器的制备方法，包括如下步骤:
[0019]步骤a)将多模光纤去除包层；
[0020]步骤b)将所述多模光纤以一定的曲率固定在聚合物制品上；
[0021]步骤c)将所述多模光纤浸于液体中，所述液体的折射率高于所述多模光纤纤芯的折射率。
[0022]优选的，所述聚合物选自丙烯酸类树酯、聚酯、聚氨酯、聚烯烃和聚酰亚胺中的一种；所述液体选自苯、二硫化碳、甘油和液晶中的一种。
[0023]与现有技术相比，本发明提供了一种光纤温度传感器，包括:去除包层的多模光纤；所述多模光纤以一定的曲率固定在聚合物制品上；所述多模光纤浸于液体中，所述液体的折射率高于所述多模光纤纤芯的折射率。本发明通过将去掉包层的多模光纤以一定的曲率固定在聚合物制品上并浸没与高折射率液体中，使得聚合物制品受热膨胀导致固定在其上的光纤的曲率发生改变，通过测定复合装置在不同温度下的透过谱，通过透过谱峰位移和温度的关系得到该装置的温度灵敏度。实验结果表明，本发明制备得到的光纤温度传感器的灵敏度为6.5nm/°C。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本发明结构光纤示意图；
[0025]图2为本发明实施例1或实施例2制备得到的光纤温度传感器结构示意图；
[0026]图3为本发明实施例1制备得到的光纤温度传感器在不同温度下的透过谱；
[0027]图4为为本发明实施例1制备得到的光纤温度传感器透过谱峰位置与温度的对应关系图；
[0028]图5为本发明比较例I制备得到的装置在绷直状态下在不同温度下的透过谱；
[0029]图6为本发明多模光纤固定在聚合物管中结构示意图；
[0030]图7为本发明多模光纤固定于双层聚合物层间受热膨胀变形示意图；
[0031]图8为本发明实施例2制备得到的光纤温度传感器在不同温度下的透过谱；
[0032]图9为为本发明实施例2制备得到的光纤温度传感器透过谱峰位置与温度的对应关系图；
[0033]图10为本发明实施例3光纤在不同距离下的透过谱；
[0034]图11为本发明实施例3模拟得到的光纤温度传感器透过谱峰位置与温度的对应关系图。
【具体实施方式】
[0035]一种光纤温度传感器，包括:
[0036]去除包层的多模光纤；[0037]所述多模光纤以一定的曲率固定在聚合物制品上；
[0038]所述多模光纤浸于液体中,所述液体的折射率高于所述多模光纤纤芯的折射率。
[0039]本发明提供了一种光纤温度传感器，包括去除包层的多模光纤。在本发明中，所述多模光纤的长度优选为0.5?5cm,更优选为I?4cm ;所述多模光纤的纤芯直径优选为40?120 μ m,更优选为50?100 μ m。本发明对所述多模光纤的种类和型号不进行限定，只要满足上述条件即可。在本发明中，对所述光纤不进行限定，所述光纤可以为SMS光纤，结构如图1所示，图1为本发明SMS结构光纤示意图，其中I为浸没SMS光纤多模段的液体；2为单模光纤，3为多模光纤。本发明所述多模光纤可以是市售，型号为市售的均可，如按照纤芯直径和加包层的整体直径分类可以为50 μ m/125 μ m, 62.5 μ m/125 μ m，MM-S105/125-15A,所述去除包层的方式优选为酸腐蚀法。具体为将多模光纤置于酸的水溶液中。腐蚀光纤溶剂通常采用氢氟酸(HF)或BHF溶液(HF+NH40H/HN03)，所述酸优选为HF，所述酸的水溶液的体积百分数优选为20%?40%，更优选为30%。所述腐蚀时间优选为30min ?IOOmin0
[0040]在本发明中，所述光纤温度传感器包括多模光纤以一定的曲率固定在聚合物制品上。本发明对于所述聚合物制品不进行限定，优选选自聚合物板，聚合物框、聚合物层和聚合物管中的一种。
[0041]本发明对于所述固定方式不进行限定，其中一种方式可以为将多模光纤以一定的曲率固定在聚合物框上，所述曲率大于O。如图2所示，图2为本发明实施例1或实施例2制备得到的光纤温度传感器结构示意图；在图2中，4为多模光纤，5为聚合物框，6为置入液体的槽，7为固定光纤的光学胶。
[0042]其中一种方式可以为多模光纤以一定的曲率固定在第一聚合物层和第二聚合物层之间，所述曲率大于O。在此情况下，第一聚合物层和第二聚合物层可以相同也可以不同，本发明对此不进行限定。
[0043]其中一种方式可以为所述多模光纤以一定的曲率固定在第一聚合物层和第二聚合物层之间，所述曲率等于0，所述第一聚合物和第二聚合物的热膨胀系数不同。如图7所示，图7为本发明多模光纤固定于双层聚合物层间受热膨胀变形示意图。
[0044]其中一种方式可以为所述多模光纤以一定的曲率固定在聚合物管中，所述曲率大于O。如图6所示，图6为本发明多模光纤固定在聚合物管中结构示意图；其中4为多模光纤，8为聚合物套。
[0045]其中一种方式可以为多模光纤以一定的曲率固定在聚合物层上，所述曲率大于O。
[0046]在本发明中，所述聚合物优选选自丙烯酸类树酯，聚酯，聚氨酯，聚烯烃，聚酰亚胺等，如:聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯和聚苯乙烯中的一种。
[0047]本发明的光纤温度传感器还包括将所述多模光纤浸于液体中，所述液体的折射率高于所述多模光纤纤芯的折射率。所述液体优选选自苯、二硫化碳、甘油和液晶中的一种，其中液晶中优选为E7。
[0048]本发明还提供了一种光纤温度传感器的制备方法，包括如下步骤:
[0049]步骤a)将多模光纤去除包层；
[0050]步骤b)将所述多模光纤以一定的曲率固定在聚合物制品上；
[0051]步骤c)将所述多模光纤浸于液体中，所述液体的折射率高于所述多模光纤纤芯的折射率。
[0052]在本发明中，首先将多模光纤去除包层。所述多模光纤的长度优选为0.5?5cm,更优选为I?4cm ;所述多模光纤的纤芯直径优选为40?120 μ m,更优选为50?100 μ m。本发明对所述多模光纤的种类和型号不进行限定，只要满足上述条件即可。在本发明中，所述多模光纤可以是市售，型号为市售的均可，按照纤芯直径和加包层的整体直径分类可以为50 μ m/125 μ m，62.5 μ m/125 μ m，MM-S105/125-15A，所述去除包层的方式优选为酸腐蚀法。具体为将多模光纤置于酸的水溶液中。所述酸优选为HF，所述酸的水溶液的体积百分数优选为20%?40%，更优选为30%。所述腐蚀时间优选为30min?IOOmin。
[0053]去除包层后，将所述多模光纤以一定的曲率固定在聚合物制品上。本发明对于所述聚合物制品不进行限定，优选选自聚合物板，聚合物框、聚合物层和聚合物管中的一种。本发明的对于固定方式和结构如上述所述，在此不再赘述。
[0054]固定后，将所述多模光纤浸于液体中，所述液体的折射率高于所述多模光纤纤芯的折射率。所述液体优选选自苯、二硫化碳、甘油和液晶中的一种，其中液晶中优选为E7。
[0055]本发明通过将去掉包层的多模光纤以一定的曲率固定在聚合物制品上并浸没于高折射率液体中，使得聚合物制品受热膨胀导致固定在其上的光纤的曲率发生改变，通过测定该装置在不同温度下的透过谱，通过透过谱峰位移和温度的关系得到该装置的温度灵敏度。
[0056]本发明的装置可以应用于制备折射率计或温度计等，灵敏度高。具体可以为在同一温度下，事先标定好以后，注入不同液体，可通过输出谱测定注入液体的折射率，成为一个简便的折射率计。注入已知折射率的液体，在不同温度下事先标定好以后，将该器件置于某一环境温度下，根据输出谱可知环境的温度，这样可以做一个温度计。
[0057]为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的光纤温度传感器及其制备方法进行详细描述。
[0058]实施例1
[0059]首先去掉多模光纤(MM-S105/125-15A)包层,一般去掉光纤包层的方法是用酸腐蚀，具体操作方法为:将长为Icm的多模光纤熔接于两段单模光纤之间。将SMS光纤的多模段用30%的HF水溶液腐蚀30min至100 μ m,即去掉包层。将腐蚀好的多模段用液晶(E7、η = 1.546, 25°C )浸没。取聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)聚合物框，把有一定曲率的SMS光纤的两端用光学胶固定于框上，如图2所示，图2为本发明实施例1或实施例2制备得到的光纤温度传感器结构示意图。在图2中，4为SMS光纤，5为聚合物框，6为置入液体的槽，7为固定光纤的光学胶。
[0060]将该光纤温度传感器置于恒温控制箱中，改变温度并在51°C?70°C每个温度下保持5min，分别测试不同温度下的透过谱，实验结果如图3和图4所示，图3为本发明实施例I制备得到的光纤温度传感器在不同温度下的透过谱，图4为为本发明实施例1制备得到的光纤温度传感器透过谱峰位置与温度的对应关系图。从图3可看出，温度升高时，峰往长波长方向移动，降温时，过程可逆。实验结果表明，本发明实施例1制备得到的光纤温度传感器温度灵敏度为6.5nm/°C。
[0061]比较例I
[0062]首先去掉多模光纤(MM-S105/125-15A)包层，一般去掉光纤包层的方法是用酸腐蚀，具体操作方法为:将长为Icm的多模光纤熔接于两段单模光纤之间。将SMS光纤的多模段用30%的HF水溶液腐蚀30min至100 μ m，即去掉包层。多模段周围用用液晶E7 (η =
1.546, 25°C )浸没。将腐蚀好的SMS光纤固定在聚合物框(PMMA)上，测试该结构在20°C和100°C下的透过谱，结果如图5所示，图5为本发明比较例I制备得到的装置在绷直状态下在不同温度下的透过谱。根据图5可以看出绷直状态下并不会出现峰的位移。
[0063]实施例2
[0064]将长为Icm的多模光纤熔接于两段单模光纤之间得到SMS光纤。将上述SMS光纤的多模段用30%的HF水溶液腐蚀30min至100 μ m,即去掉包层。将腐蚀好的多模段用二硫化碳(η = 1.6276，25°C )浸没。取PMMA聚合物框，把有一定曲率的SMS光纤的两端用光学胶固定于板上，如图2所示，图2为本发明实施例1或实施例2制备得到的光纤温度传感器结构示意图。在图2中，4为SMS光纤，5为聚合物框，6为置入液体的槽，7为固定光纤的光学胶。
[0065]将光纤温度传感器置于恒温箱中，改变温度并在59°C?82°C每个温度下保持5min，分别测试不同温度下的透过谱，实验结果如图8和图9所示，图8为本发明实施例2制备得到的光纤温度传感器在不同温度下的透过谱，图9为为本发明实施例2制备得到的光纤温度传感器透过谱峰位置与温度的对应关系图。实验结果表明，本发明实施例2制备得到的光纤温度传感器温度灵敏度为3.9nm/°C。
[0066]实施例3
[0067]将长为Icm的多模光纤熔接于两段单模光纤之间。将上述SMS光纤的多模段用30%的HF水溶液腐蚀30min至100 μ m，即去掉包层。然后将腐蚀好的多模段用液晶浸没。将光纤两端置于三维移动台中，通过移动三维移动台可以改变光纤的曲率，结果如图10所示，如图10为本发明实施例3光纤在不同距离下的透过谱，实验结果表明，灵敏度为
0.56nm/μm。
[0068]将上述光纤置于两层聚合物间，上层PMMA(热膨胀系数6X 10_5)，下层为聚苯乙烯(热膨胀系数8X 10_5)，室温时上下两层都是10.0cm的长度，光学胶层为0.2mm。如图7所示，变温发生卷曲时光纤移动的距离界于二者形变之间，简化为二者平均值。得到模拟变化曲线为图11，图11为本发明实施例3模拟得到的光纤温度传感器透过谱峰位置与温度的对应关系图。实验结果表明，本发明实施例3制备得到的光纤温度传感器温度灵敏度为
3.92nm/。。。
[0069]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种光纤温度传感器，其特征在于，包括: 去除包层的多模光纤； 所述多模光纤以一定的曲率固定在聚合物制品上； 所述多模光纤浸于液体中，所述液体的折射率高于所述多模光纤纤芯的折射率。
2.根据权利要求1所述的光纤温度传感器，其特征在于，所述多模光纤以一定的曲率固定在聚合物框上，所述曲率大于O。
3.根据权利要求1所述的光纤温度传感器，其特征在于，所述多模光纤以一定的曲率固定在第一聚合物层和第二聚合物层之间，所述曲率大于O。
4.根据权利要求1所述的光纤温度传感器，其特征在于，所述多模光纤以一定的曲率固定在第一聚合物层和第二聚合物层之间，所述曲率等于O，所述第一聚合物和第二聚合物的热膨胀系数不同。
5.根据权利要求1所述的光纤温度传感器，其特征在于，所述多模光纤以一定的曲率固定在聚合物管中，所述曲率大于O。
6.根据权利要求1所述的光纤温度传感器，其特征在于，所述多模光纤以一定的曲率固定在聚合物层上，所述曲率大于O。
7.根据权利要求1?6任意一项所述的光纤温度传感器,其特征在于，所述聚合物选自丙烯酸类树酯、聚酯、聚氨酯、聚烯烃和聚酰亚胺中的一种；所述液体选自苯、二硫化碳、甘油和液晶中的一种。
8.根据权利要求1?6任意一项所述的光纤温度传感器,其特征在于，所述多模光纤的长度为0.5?5cm ;所述多模光纤的纤芯直径为40?120 μ m。
9.一种光纤温度传感器的制备方法，包括如下步骤: 步骤a)将多模光纤去除包层； 步骤b)将所述多模光纤以一定的曲率固定在聚合物制品上； 步骤c)将所述多模光纤浸于液体中，所述液体的折射率高于所述多模光纤纤芯的折射率。
10.根据权利要求8所述的光纤温度传感器的制备方法，其特征在于，所述聚合物选自丙烯酸类树酯、聚酯、聚氨酯、聚烯烃和聚酰亚胺中的一种；所述液体选自苯、二硫化碳、甘油和液晶中的一种。
【文档编号】G01K11/32GK103926019SQ201410167876
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月24日 优先权日:2014年4月24日
【发明者】张玉娟, 张其锦 申请人:中国科学技术大学