专利名称：一种采用荧光材料的远距离光纤温度传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种光纤传感器，更具体地说，涉及一种采用荧光材料的远距离光纤温度传感器。
背景技术：
光纤温度传感器以其精度高、传感范围宽、不受电磁干扰等优点，已广泛应用于智能电网、生物医疗、石油化工、工业微波、电源管理和军事国防等领域。特别地，利用纯光学原理进行参数测量的荧光光纤温度传感器具有传统传感技术所无法比拟的优势而受到越来越多研究人员的关注。虽然市场上一些荧光光纤温度传感器已经实现小批量生产，但随着应用领域的不断扩展，性能优越的荧光材料不断涌现，传感器的设计面临着新的机遇与挑战。中国实用新型专利ZL 201020193493. 2公开了一种基于荧光寿命检测的荧光光纤温度传感器，以解决传统光纤温度传感器结构较复杂、测量精度较低、受光强变化影响大等问题。该荧光光纤温度传感器包括光源驱动电路、荧光激励光源、光路耦合系统、荧光光纤测温探头、荧光信号检测处理系统和显示系统；荧光光纤测温探头由传光光纤、荧光材料和保护套组成，荧光材料用环氧胶粘接于传光光纤的末端，荧光材料和传光光纤作为整体完全由保护套包裹。上述实用新型专利虽然在一定程度上传统光纤温度传感的结构复杂、体积大、重量高、测量精度较低、测量范围小，抗腐蚀、抗电磁干扰能力弱等缺点，但其仍存在不足(I)、基于荧光寿命的光纤温度传感器在远距离非接触温度传感方面受限，不能满足在恶劣环境下的物体表面的温度测量，而且存在工艺复杂、成本高等缺点；(2)、包含光路耦合系统，包括多个耦合透镜，结构显得复杂，工作稳定性有待提闻。
实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种小巧简便、制作成本低、灵敏度高、测温范围宽、成本低、温度稳定性好的采用荧光材料的远距离光纤温度传感器。本实用新型的技术方案如下一种采用荧光材料的远距离光纤温度传感器，包括光源、光纤、光谱仪，所述的光纤为Y型多模光纤，Y型多模光纤的公共端与出射耦合透镜相连；反射镜与被测物体表面接触，反射镜的反面设有荧光粉，同时出射耦合透镜在反射镜的反射光路上；γ型多模光纤的分叉端的一端与光源相连，Y型多模光纤的分叉端的另一端与光谱仪相连。作为优�。龅某錾漶詈贤妇蛋沧霸谑⒐苤校琘型多模光纤的公共端与石英管相连。作为优�。龅姆瓷渚蛋沧霸谑⒐苤校瓷渚瞪栌杏夥鄣囊幻娴箍墼谑⒐苤校瓷渚档牧硪幻娑杂Φ奈恢蒙习沧坝蟹瓷漶詈贤妇�。[0012]作为优�。龅姆瓷渚凳墙鹗舴瓷渚�。作为优�。龅墓馄滓瞧涮讲馄鞯南煊Σǔし段г�20(Tll00nm。作为优�。龅挠夥凼荖aYF4: Yb3+/Er3+。作为优�。龅墓庠次�980nm泵浦光源。作为优选，所述的突光粉是粉末状突光粉。
本实用新型的有益效果如下采用本实用新型所述的技术方案，针对远距离非接触温度传感，公开了一种采用荧光材料的远距离光纤温度传感器。用于测量不同距离的温度，在恶劣环境下物体表面温度的非接触测量有很大的应用前景。本实用新型所述的装置小巧简便、制作成本低，在远距离式测温领域有较高的实际应用价值。本实用新型将荧光粉掺杂在金属反射镜中，使得传感器整体灵敏度更高、测温范围更宽、温度稳定性更好。
图I是基于本实用新型的实验测量的连接示意图；图2是基于本实用新型的低温实验测量所得到的的光谱温度特性图；图3是基于本实用新型的高温实验测量所得到的的光谱温度特性图；图4是基于本实用新型的实验测量所得到的Er3+离子不同能级荧光发射峰值随温度变化曲线图；图5是基于本实用新型的实验测量所得到的荧光强度比I519nm/I539nm与I519nm/I653nm的温度特性图；图中I是光源，2是Y型多模光纤，3是光谱仪，4是出射耦合透镜，5是反射镜，6是反射耦合透镜，7是石英管，8是计算机，9是温度控制器，10是箱式电炉。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本实用新型进行进一步的详细说明。一种采用荧光材料的远距离光纤温度传感器，包括光源I、光纤、光谱仪3，出射耦合透镜4、反射镜5。本实施例中，所述的光纤为Y型多模光纤2，Y型多模光纤2的公共端与出射耦合透镜4相连，出射耦合透镜4的出射光路上设有反射镜5，同时出射耦合透镜4在反射镜5的反射光路上。所述的反射镜5是金属反射镜5，表面设有荧光粉；所述的荧光粉是粉末状NaYF4:Yb3+/Er3+荧光粉，掺杂NaYF4: Yb3+/Er3+荧光粉的金属反射镜5用作温度传感元件。Y型多模光纤2的分叉端的一端与光源I相连，所述的光源I为980nm泵浦光源I。Y型多模光纤2的分叉端的另一端与光谱仪3相连。所述的光谱仪3工作波长能覆盖50(T700nm。为了达到更优的效果，所述的出射耦合透镜4安装在石英管7中，Y型多模光纤2的公共端与石英管7相连。所述的反射镜5安装在石英管7中，反射镜5设有荧光粉的一面倒扣在石英管7中，反射镜5的另一面对应的位置上安装有反射耦合透镜6。980nm泵浦光源I进入Y型多模光纤2的一端，经过透镜耦合后将出射的发散光变成近似平行光束在空间中传输，并去激励NaYF4:Yb3+/Er3+金属反射镜5发射荧光，同样被激发的四面八方发射的荧光经过透镜耦合成近似平行光，经原路返回从Y型多模光纤2的另一端导出，由微型光谱仪3检测并将相应的光谱传输到计算机8上，根据荧光强度比和温度的对应关系进行定标，最后输出实测的温度值。掺杂NaYF4:Yb3+/Er3+荧光粉的金属反射镜5制备过程如下用分析天平称取等比例的NaYF4:Yb3+/Er3+荧光粉、粉末状修补剂和胶状修补剂。在干净的环境下将NaYF4 = Yb3+/Er3+和粉末状修补剂两种粉末置于研钵中充分研磨，再加入胶状修补剂进行二次研磨，将调成半固体糊状制成直径为14_的圆薄片结构粘于金属反射镜5的表面,反扣在内径14_、长为13_的石英管7中。在常温下固化16小时后放置80°C的恒温箱2小时，此后缓慢升温至150°C并保持2小时，缓慢冷却至室温完成固化。所述的修补剂为超高温修补剂，是由湖北回天胶业股份有限公司生产的HT_767(A型)。所述的修补剂是由金属、陶瓷、石英、纤维、高韧耐热树脂及固化剂组成的聚合金属、聚合陶瓷类的双组分材料，当两组分充分混合后通过化学反应形成一种耐磨损、耐腐蚀、抗冲击的高分子合金及陶瓷涂层。·通过研究发现，大部分稀土荧光材料、光纤材料在用作传感器之前，需要进行热处理，以保证传感器的重复性和稳定性。经过热处理后，传感器的测量精度和灵敏度也会提高，但对不同的稀土荧光材料，因能承受的最高工作温度不同，其相应热处理的最高温度应设定在其最高工作温度附近，否则材料因受损而使其荧光特性急剧衰退。NaYF4:Yb3+/Er3+荧光粉是采用水热法进行制备的，反应的最高温度在180°C，因此本实验的热处理过程是将制备好的带有荧光金属反射镜5的石英管7，放置在恒温箱中，由室温缓慢升至180°C并保持8小时。如图I所示的实施实验测量的连接示意图，采用本实用新型所述的传感器，还包括温度控制器9、箱式电炉10、计算机8，测试了 25 180°C温度下NaYF4:Yb3+/Er3+荧光粉在50(T700nm波段的荧光强度。实验结果如图2、图3所示，图2中的三条曲线，由上至下，分别表示30°C、50°C、70°C时的光谱温度特性图。图3中的五条曲线，由上至下，分别表示90°C、110°C、13(TC、150 V、170 V时的光谱温度特性图。从图中可以看出，当温度从30 °C上升到170 V时，519nm、539nm和653nm上转换发射峰的中心波长没有改变。结合图4分析各个发射峰值的随温度的变化情况图4中的三条曲线，由上至下，分别表示519nm、539nm、653nm发射峰值的荧光强度随温度变化曲线图。由图4可知，519nm处的荧光强度随着温度的升高平缓地先升后降，539nm和653nm这两个发射峰的荧光强度随着温度的升高而降低，具有明显的单调下降趋势，其中539nm曲线的变化率最大，653nm曲线下降地较为平缓。图5为在25 180°C温度范围内，I519nm/I539nm与I519nm/I653nm两组荧光强度的比值随温度变化的特性，图5中，两条曲线，由上至下，分别表示I519nm/I653nm、I519raiA539rai荧光强度的比值随温度变化的特性曲线。图5中的实线部分也是根据实验测得的32个温度时的荧光强度线性拟合的。由图 51519nm/I539nm 曲线线性相关系数K (I519mi/I539J =0. 9994与曲线κα
519ml/
I653J=O. 9981可知，荧光强度的比值随温度是近似线性变化的。从图中可以直观的读出两条的灵敏度X =^k1-C ;)，1519 /1539 曲线(R(I519nmA539J-T)的灵敏度为 0.00480C S 而Al
)-T)灵敏度是 0.0137°C -1。上述实施例仅是用来说明本实用新型，而并非用作对本实用新型的限定。只要是依据本实用新型的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本实用新型的权利要求的范围内。
权利要求1.一种采用荧光材料的远距离光纤温度传感器，包括光源、光纤、光谱仪，其特征在于，所述的光纤为Y型多模光纤，Y型多模光纤的公共端与出射耦合透镜相连；反射镜与被测物体表面接触，反射镜的反面设有荧光粉，同时出射耦合透镜在反射镜的反射光路上；γ型多模光纤的分叉端的一端与光源相连，Y型多模光纤的分叉端的另一端与光谱仪相连。
2.根据权利要求I所述的采用荧光材料的远距离光纤温度传感器，其特征在于，所述的出射耦合透镜安装在石英管中，Y型多模光纤的公共端与石英管相连。
3.根据权利要求I所述的采用荧光材料的远距离光纤温度传感器，其特征在于，所述的反射镜安装在石英管中，反射镜设有荧光粉的一面倒扣在石英管中，反射镜的另一面对应的位置上安装有反射耦合透镜。
4.根据权利要求3所述的采用荧光材料的远距离光纤温度传感器，其特征在于，所述的反射镜是金属反射镜。
5.根据权利要求I所述的采用荧光材料的远距离光纤温度传感器，其特征在于，所述的光谱仪其探测器的响应波长范围在20(Tll00nm。
6.根据权利要求I所述的采用荧光材料的远距离光纤温度传感器，其特征在于，所述的荧光粉是 NaYF4 :Yb3+/Er3+。
7.根据权利要求6所述的采用荧光材料的远距离光纤温度传感器，其特征在于，所述的光源为980nm泵浦光源。
8.根据权利要求7所述的采用荧光材料的远距离光纤温度传感器，其特征在于，所述的荧光粉是粉末状荧光粉。
专利摘要本实用新型涉及一种采用荧光材料的远距离光纤温度传感器，包括光源、光纤、光谱仪，所述的光纤为Y型多模光纤，Y型多模光纤的公共端与出射耦合透镜相连；反射镜与被测物体表面接触，反射镜的反面设有荧光粉，同时出射耦合透镜在反射镜的反射光路上；Y型多模光纤的分叉端的一端与光源相连，Y型多模光纤的分叉端的另一端与光谱仪相连。本实用新型所述的装置小巧简便、制作成本低，在远距离式测温领域有较高的实际应用价值。本实用新型将荧光粉掺杂在金属反射镜中，使得传感器整体灵敏度更高、测温范围更宽、温度稳定性更好。
文档编号G01K11/32GK202734999SQ201220402520
公开日2013年2月13日 申请日期2012年8月14日 优先权日2012年8月14日
发明者董小鹏, 林静敏 申请人:厦门大学
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
