技术领域本发明属于光纤温度传感器及其制造方法的技术领域，具体涉及一种双锥形聚合物光纤探头及其制备方法和温度传感器。
背景技术：
随着现代工业、空间技术、军事等领域逐步向自动化和智能化发展，对传感器的灵敏度、精度、可靠性等的要求不断增加，光纤类传感器因其灵敏度高、较强的抗电磁干扰能力、良好的动态范围、体积小、耐腐蚀、响应速度快、网络化、分布式、多点、大区域、同步检测等优点，备受国内外专家和用户的青睐。塑料聚合物光纤作为感知信号的器件和玻璃光纤相比具有更多的优点：1、塑料光纤质轻、柔软，更耐破坏(振动和弯曲)。塑料聚合物光纤有着优异的拉伸强度、耐用性和占用空间小的特点。柔韧、更小的杨氏模量、更大的热光系数和更大的热膨胀系数，所以聚合物光纤传感器能够提供更高的灵敏度和更宽的响应范围；2、聚合物光纤收发模块使用650nm波长的红光，非常安全，使用者可见也容易判断光纤的连接是否成功。作为信号传输载体可以使用可见光波段的发光二极管(LED)作为电/光或光/电转换器件，直接输出电压信号使解调系统成本大幅降低；3、具有更好的抗弯曲特性、芯径大，数值孔径大，与光源和接收器的耦合效率高，端面处理简单、具有简易的连接方式和简单的连接器件等优点。基于聚合物光纤的传感器既有光纤传感器的优势，且直接输出电信号易于和别的电类传感系统兼容，具有十分明显的本征优势和应用潜能。因此聚合物光纤在传感领域具有广泛的应用前景，但是普通聚合物光纤对光传输能量变化不明显不能作为传感器使用，因此，研制具有对外界因素有敏感特性的聚合物光纤结构具有重大意义。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种双锥形聚合物光纤探头及其制备方法和温度传感器，该双锥形聚合物光纤探头结构设计合理，易于制作；基于双锥形聚合物光纤探头的温度传感器测量灵敏度高，效果好。本发明是通过以下技术方案来实现：本发明公开了一种双锥形聚合物光纤探头，包括光纤内核和光纤外被，光纤内核由纤芯和外包层组成；在光纤探头的任意一段上，纤芯的两端为圆柱状区段，中部为双锥形耦合区段，该双锥形耦合区段由双锥形结构区和包覆于双锥形结构区外的温度敏感材料层构成，双锥形结构区中间细两端粗且对称布置；双锥形结构区与温度敏感材料层相配合形成圆柱状结构，该圆柱状结构与纤芯两端的圆柱状区段半径相同。在光纤外被外还包覆有铠装保护层，该铠装保护层的包覆区域包括纤芯中部的双锥形耦合区段和纤芯两端的圆柱状区段。双锥形耦合区段中部锥区的最小半径为r0，纤芯的半径为r1，且r0为r1的0.2～0.9倍。双锥形耦合区段的长度为10～100mm。本发明还公开一种双锥形聚合物光纤探头的制备方法，包括以下步骤：1)光线探头包括光纤内核和光纤外被，光纤内核由纤芯和外包层组成；选择光纤探头上任意一段，用剥线钳去除光纤外被；2)将去除光纤外被后裸露的纤芯表面用砂纸边旋转边打磨直至形成中间细两端粗且对称的双锥形结构区；3)在双锥形结构区外敷上温度敏感材料层，使双锥形结构区与温度敏感材料层相配合形成圆柱状结构，该圆柱状结构与纤芯两端的圆柱状区段半径相同。还包括在光纤外被的外部包覆铠装保护层，该铠装保护层包覆区域包括纤芯中部的双锥形耦合区段和纤芯两端的圆柱状区段。步骤2)制备双锥形结构区时，使用游标卡尺进行实时量测，打磨尺寸满足目标半径尺寸，双锥形耦合区段中部锥区的最小半径为r0，纤芯的半径为r1，r0为r1的0.2～0.9倍。本发明还公开了一种温度传感器，包括斩波器、双锥形聚合物光纤探头、锁相放大器、调制器、光电探测器及电脑终端；斩波器设置在双锥形聚合物光纤探头的入射光光路上，光源通过双锥形聚合物光纤探头后，将信号传给锁相放大器，信号放大后再经光电探测器储存于电脑终端中，斩波器和光电探测器通过调制器相连；所述双锥形聚合物光纤探头，包括光纤内核和光纤外被，光纤内核由纤芯和外包层组成；在光纤探头的任意一段上，纤芯的两端为圆柱状区段，中部为双锥形耦合区段，该双锥形耦合区段由中间细两端粗且对称布置的双锥形结构区和包覆于双锥形结构区外的温度敏感材料层构成，双锥形结构区与温度敏感材料层相配合形成圆柱状结构。在纤芯的外部还包覆铠装保护层，该铠装保护层包覆区域包括纤芯中部的双锥形耦合区段和纤芯两端的圆柱状区段，该圆柱状结构与纤芯两端的圆柱状区段半径相同。若双锥形耦合区段中部锥区的最小半径为r0，纤芯的半径为r1，则r0为r1的0.2～0.9倍；双锥形耦合区段的长度为10～100mm与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：本发明公开的双锥形聚合物光纤探头，在不改变纤芯内部结构的前提下，将任意一段光纤的中部制作成中间细两端粗且对称布置的双锥形结构区，且在该双锥形结构区外敷有温度敏感材料层，双锥形结构区与温度敏感材料层相配合形成圆柱状结构。这种对称的双锥形结构，不影响纤芯内部的传输折射，对折射率变化不产生影响，从而能够有效提高理论分析的准确性，测量灵敏度高。进一步地，在纤芯的外部还包覆铠装保护层，该铠装保护层包覆区域包括纤芯中部的双锥形耦合区段和纤芯两端的圆柱状区段，有效起到保护作用。双锥形耦合区段中部锥区的最小半径为r0，纤芯的半径为r1，且r0为r1的0.2～0.9倍。经实验证明，双锥形耦合区段的中央锥区半径r0越小灵敏度越高，双锥形结构区域长度L越长，灵敏度越高。本发明公开的双锥形聚合物光纤探头的制备方法，采用磨砂旋转打磨的方式，能够有效提高精确度。光纤纤芯折射率(1.49)大于光纤外包层折射率(1.4)，传输过程中，当光传输到纤芯和外包层的交界面，当入射角大于临界角就会产生全反射，把光限制在纤芯中传输，不利于光纤传感。通过磨砂打磨的方式，能够去掉光纤的外包层，使原来发生反射的光发生折射，使锥形区段发生泄漏的光增多，保留在光纤中继续传输的光减少，从而检测到的光强度减少。本发明作为温度传感器的基本原理是传感器周围环境-温度的变化与检测到的传输能量的变化对应直间的关系。通过磨砂打磨可以增加检测到的光强度改变量，从而提高其传感灵敏度。在旋转打磨过程中，通过实时量测，便于精确控制双锥形结构长度、圆截面尺寸，从而保证传感器制作的准确性和一致性。本发明公开的温度传感器，基于上述的双锥形聚合物光纤探头，其对称的双锥形结构，不影响纤芯内部的传输折射，对折射率变化不产生影响，从而能够有效提高理论分析的准确性，测量灵敏度高。该温度传感器结构简单，成本低廉，灵敏度高，反应迅速等优点。本发明基于聚合物光纤损耗机制的高精度传感测量可用于需要获取温度实时数据的各种场合。附图说明图1为本发明双锥形聚合物光纤探头剖面结构示意图；图2为本发明双锥形聚合物光纤探头双锥形区域结构示意图；图3为本发明双锥形聚合物光纤探头立体结构示意图；图4为本发明的双锥形聚合物光纤温度传感器的实验装置示意图；图5为本发明具体实施传感器结构优化设计实验数据图，其中，(a)为锥形结构长度变化温度测量图；(b)为锥形结构锥度变化温度测量图；其中，1为纤芯；2为外包层；3为光纤外被；4为双锥形结构区；5为温度敏感材料层；6为铠装保护层；7为光源；8为斩波器；9为双锥形聚合物光纤探头；10为锁相放大器；11为调制器；12为光电探测器；13为电脑终端。具体实施方式下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。实施例1实验选择光纤维日本三菱公司生产的阶跃单模聚合物光纤，具体型号为SMLH4001；参见图1，聚合物光纤由光纤内核和光纤外被3两部分组成。光纤内核直径是1.00mm，由纤芯1和外包层2组成。纤芯1由聚甲基丙烯酸甲酯构成，折射率为1.492，纤芯1的直径是980μm；纤芯外包层2由氟树脂构成，折射率为1.402，外包层厚度是0.02mm；光纤外被3由聚乙烯构成，主要起保护作用，直径是2.20mm。聚合物光纤数值孔径NA＝0.467，传输损耗是200dB/km，光纤的正常工作温度是-55℃～70℃。参见图2和图3，本发明的双锥形聚合物光纤探头，包括光纤内核和光纤外被3，光纤内核由纤芯1和外包层2组成；在光纤探头的任意一段上，纤芯1的两端为圆柱状，中部为双锥形耦合区段，该双锥形耦合区段为中间细两端粗且对称布置的双锥形结构区4，在锥形结构面4外敷有温度敏感材料层5，双锥形结构区4与温度敏感材料层5相配合形成圆柱状结构，该圆柱状结构与纤芯1两端的圆柱状区段半径相同。优选地，在纤芯的外部还包覆铠装保护层6，该铠装保护层6包覆区域包括纤芯1中部的双锥形耦合区段和纤芯1两端的圆柱状区段。双锥形聚合物光纤探头的制备方法如下：光纤传感双锥形结构部分可以通过切剪、砂纸仔细打磨形成。首先，将聚乙烯外被层3用剥线钳去除，裸露的纤芯1表面用320型号砂纸仔细打磨。采用边旋转边打磨的方式，保证加工的双锥形结构部分截面保持圆形，中心区域可采用粗一级磨细后再用细砂纸重复打磨光滑，打磨过程中可以随时用游标卡尺测量中心区域尺寸，便于精确控制双锥形结构长度、圆截面尺寸，直到形成中间细两端粗的对称均匀并符合目标直径尺寸的双锥形结构区4，如图2所示，传感长度L，中心半径r0，两端半径r1。同时，加工完成形成的锥形区域用异丙醇进行清洗。在双锥形耦合区段外层敷上温度敏感材料5，使外形呈圆柱形状，温度敏感材料5外加上铠装保护层6。上述双锥形的耦合区段中央锥区最小半径r0为光纤纤芯半径r1的0.2～0.9倍，双锥形耦合区段的中央锥区半径r0越小灵敏度越高。上述双锥形耦合区段长度L可以在10～100mm之间。参见图4，基于上述双锥形聚合物光纤探头的温度传感器，包括斩波器8、双锥形聚合物光纤探头9、锁相放大器10、调制器11、光电探测器12及电脑终端13；由光源7通过斩波器8允许200Hz的光通过光纤进入双锥形探头9，通过锁相放大器10将信号传给光探测器12并最终存储在电脑13，同时，采用调制器11连接斩波器8和光电探测器12，信号处理单元锁相放大器10将信号接收并放大，反应区间温度发生变化会导致传感光纤的传输能量变化，传输能量的变化与周围环境(温度)的变化关系就是光纤传感的基本原理。锁相放大器10主要是将实验数据获取系统，并去除噪音和干扰。光电探测器12将光信号转换成电信号后存入信号处理单元进行数据存储单元数据处理并存储进电脑13即可得到温度变化情况。实施例2在上述实施例1的基础上，双锥形耦合区段的中央锥区半径r0＝480μm,其他参数不变，测试双锥形耦合区段长度L变化情况，分别采用L＝20mm,40mm和60mm三种情况，结果见图5(a)。实施例3在实施例1的基础上，将双锥形耦合区段长度L＝60mm，其他参数不变，测试双锥形耦合区段的中央锥区半径r0变化情况，分别采用r0＝240μm，480μm和600μm三种情况，结果见图5(b)。具体实施所获得的实验数据转换的实验结果，参加下表1：结合实施例2、3，从该表中可以看出，根据不同的锥形长度和直径分别制作不同型号的双锥形聚合物光纤温度传感器。当直径480μm，传感长度L分别为20mm，40mm和60mm所对应的传感器实验结果灵敏度和分辨率可以看出：双锥形结构区域长度L越长，灵敏度越高。传感长度L为6.0厘米，直径分别240μm，480μm和600μm实验结果灵敏度和分辨率可以看出:中央锥区半径r0越小，灵敏度越高。通过对本发明双锥形结构：锥形长度和锥度进行优化设计，能够有效提高测量灵敏度，为这种成本低廉的双锥形聚合物光纤温度传感器适用于温度实时监控的各种场合提供理论及实验依据，有利于本发明双锥形聚合物光纤温度传感器的推广应用。