一種黑體腔式高溫傳感器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種黑體腔式高溫傳感器，包括藍(lán)寶石光纖，光纖的一端包覆有金屬薄膜形成光纖黑體腔，光纖的另一端連接光纖接頭。其中，金屬薄膜采用鉬薄膜，厚度為200nm；光纖黑體腔的腔體長(zhǎng)度與光纖直徑比為11：1。制備方法的主要步驟為：選擇一段藍(lán)寶石光纖，先將其一端端面拋光，并對(duì)該端清洗干凈，將光纖裝入濺射平臺(tái)夾具內(nèi)，選擇合適的濺射參數(shù)，順次在光纖該端鍍上一層鉬薄膜及一層氧化鋁薄膜，之后在光纖另一端加插芯并拋光光滑，制成光纖接頭與后續(xù)傳輸光纖連接。本發(fā)明形成的傳感光纖黑體腔具有接近理想黑體的輻射特性，將進(jìn)一步提升傳感器測(cè)溫的準(zhǔn)確性、靈敏度和分辨率。
【專利說(shuō)明】一種黑體腔式高溫傳感器及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光纖溫度傳感領(lǐng)域，涉及一種可用于高溫連續(xù)測(cè)量的藍(lán)寶石光纖黑體 腔傳感器，具體涉及傳感器光纖黑體腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)與具體的制作方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 高溫的測(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域十分常見(jiàn)，通常采用的方法有熱電偶、紅外輻射測(cè)溫 等方法。高溫下熱電偶材料物化特性不穩(wěn)定導(dǎo)致其不能長(zhǎng)期、連續(xù)地測(cè)量溫度。而非接觸 式的紅外測(cè)溫雖然能有較高的測(cè)溫上限，但其測(cè)量時(shí)必須知道熱源的發(fā)射率情況，易受背 景輻射的干擾，測(cè)得的僅是熱源表面的溫度。光纖黑體腔傳感器利用藍(lán)寶石光纖耐高溫及 紅外透光特性，與熱源直接接觸，可測(cè)流體及其內(nèi)部的溫度。同時(shí)它采用石英多模光纖將溫 度信號(hào)傳輸至遠(yuǎn)離熱源處處理顯示，避免了高溫工作環(huán)境及電磁干擾，適合于長(zhǎng)期穩(wěn)定地 溫度監(jiān)測(cè)。
[0003] 光纖黑體腔高溫傳感器的溫度敏感信號(hào)來(lái)自于探頭前端的黑體腔，其測(cè)溫性能的 關(guān)鍵在于傳感黑體腔的制作，合理的光纖黑體腔的設(shè)計(jì)能提高其高溫輻射性能，進(jìn)一步提 升傳感器測(cè)溫的準(zhǔn)確性、靈敏度、分辨率等。光纖黑體腔測(cè)溫技術(shù)最早由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局 R.R. Dils提出，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)已有數(shù)所高校及研究所有過(guò)該方面報(bào)導(dǎo)。但這些報(bào)導(dǎo)尚未重 視光纖黑體腔的構(gòu)造參數(shù)的設(shè)計(jì)，并未將傳感腔體的優(yōu)化設(shè)計(jì)與具體的制作相結(jié)合。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種黑體腔式高溫傳感器，其光纖黑體腔具有優(yōu)化的參 數(shù)，能大大提高光纖黑體腔輻射的性能。同時(shí)提出一種該傳感器的實(shí)際制備方法。
[0005] 本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)： 一種黑體腔式高溫傳感器，包括藍(lán)寶石光纖，光纖的一端包覆有金屬薄膜形成光纖黑 體腔，光纖的另一端連接光纖接頭，其特征在于，所述金屬薄膜采用鑰薄膜，厚度為200nm ; 所述光纖黑體腔的腔體長(zhǎng)度與光纖直徑比為11 :1。
[0006] 所述金屬薄膜外還包覆一層氧化物保護(hù)薄膜，厚度為20nm。
[0007] 進(jìn)一步地，所述藍(lán)寶石光纖的芯徑為250 μ m。
[0008] -種黑體腔式高溫傳感器的制備方法，其具體工藝步驟如下： a) 截取長(zhǎng)度為26cm、芯徑為250 μ m的藍(lán)寶石光纖； b) 將藍(lán)寶石光纖裝入手持研磨盤，順次采用6 μ m及1 μ m規(guī)格的金剛石研磨紙對(duì)藍(lán)寶 石光纖端面進(jìn)行手工拋光，拋光時(shí)間分別為60s及40s ; c) 對(duì)步驟b)得到的藍(lán)寶石光纖一端6cm長(zhǎng)的區(qū)域分別用丙酮、酒精和去離子水超聲清 洗，然后用氮?dú)獯蹈?；再用等離子清洗機(jī)對(duì)光纖該部分區(qū)域處理數(shù)分鐘； d) 將步驟c)清洗后的藍(lán)寶石光纖包裹，使需鍍膜部分露出，將光纖裝入自動(dòng)濺射平 臺(tái)，用夾具固定光纖； e) 設(shè)定濺射參數(shù)，依次對(duì)光纖濺射200nm厚度的鑰薄膜及20nm厚度的氧化鋁薄膜； f)對(duì)步驟e)得到的藍(lán)寶石光纖未鍍膜的另一端用步驟b)的方法進(jìn)行端面拋光，并以 步驟c)的方法清洗，對(duì)該端制成FC/PC型接頭與石英光纖對(duì)接以傳輸光纖黑體腔輻射信 號(hào)。
[0009] 本發(fā)明的光纖黑體腔，采用表面發(fā)射率高的鑰作為薄膜材料，腔體薄膜在紅外波 段透射率在0. 15%以下，其厚度僅200nm，薄膜與藍(lán)寶石光纖結(jié)合牢固。同時(shí)依據(jù)有限元方 法計(jì)算的結(jié)果，對(duì)于鑰薄膜，當(dāng)腔體長(zhǎng)度與光纖直徑比值達(dá)到11時(shí)，其有效發(fā)射率在〇. 965 以上，具有接近理想黑體的熱輻射特性。如果用銥金屬作為光纖黑體腔薄膜材料，其在紅外 波段表面發(fā)射率只有〇. 25、. 3,其構(gòu)成的光纖黑體腔有效發(fā)射率僅在0. 928左右。因此，利 用本發(fā)明的腔體參數(shù)制備的光纖黑體腔將有效提高傳感器的準(zhǔn)確性、分辨率和響應(yīng)速度， 而且制作步驟簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、成本低。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010] 圖1是本發(fā)明光纖黑體腔構(gòu)造示意圖，1-1 :藍(lán)寶石光纖；1-2 :鑰薄膜；1-3 :氧化 鋁薄膜；1-4 :光纖黑體腔腔長(zhǎng)為2. 8_ ; 1-5 :鑰薄膜厚度為200nm ; 1-6 :氧化鋁薄膜厚度為 20nm ; 1-7 :藍(lán)寶石光纖長(zhǎng)度為26cm ; 1-8 :藍(lán)寶石光纖芯徑為250 μ m。
[0011] 圖2是本發(fā)明光纖黑體腔的有限元軟件分析模型，2-1 :光纖黑體腔腔體網(wǎng)格單 元；2-2 :模擬熱輻射接收面網(wǎng)格單元。
[0012] 圖3是本發(fā)明光纖黑體腔腔體鑰薄膜的紅外波段透射譜。
[0013] 圖4是本發(fā)明光纖黑體腔的有限發(fā)射率與腔長(zhǎng)關(guān)系的有限元計(jì)算結(jié)果，其中光纖 半徑取為單位1長(zhǎng)度，腔長(zhǎng)為光纖半徑的整數(shù)倍。

【具體實(shí)施方式】
[0014] 本發(fā)明光纖黑體腔的優(yōu)化設(shè)計(jì)流程：在有限元軟件ANSYS內(nèi)建立光纖黑體腔的熱 輻射模型，包括薄膜腔體及模擬的熱輻射接收面，設(shè)置腔體材料的表面發(fā)射率、導(dǎo)熱系數(shù)、 比熱容，添加 SHELL57殼單元，以映射法劃分網(wǎng)格得到有限元模型，利用AUX12輻射矩陣生 成器生成輻射面間的形狀系數(shù)矩陣，將此矩陣作為超單元用于熱分析求解。求解完畢，利用 在后處理器看到的探測(cè)面上節(jié)點(diǎn)的熱流率響應(yīng)解計(jì)算得到光纖黑體腔的有效發(fā)射率值。分 別計(jì)算腔底的形狀、腔體溫度、腔長(zhǎng)、腔體材料表面發(fā)射率等在不同取值下對(duì)腔體有效發(fā)射 率的影響，得到這些腔體參數(shù)的一組優(yōu)化解。
[0015] 光纖黑體腔的構(gòu)造采用濺射鍍膜工藝在藍(lán)寶石光纖一端的側(cè)表面及端面均勻?yàn)R 射一層金屬薄膜?？紤]到金屬鑰在高溫環(huán)境下良好的導(dǎo)熱性能，且熱膨脹系數(shù)與藍(lán)寶石光 纖匹配，所以光纖黑體腔采用鑰作為薄膜材料。并在鑰薄膜的外層濺射一層氧化鋁薄膜以 抑制鑰在高溫下的氧化反應(yīng)。本實(shí)施例中，藍(lán)寶石光纖采用250μπι芯徑，26cm長(zhǎng)度。根據(jù) 有限元軟件仿真結(jié)果，對(duì)于鑰材料，光纖黑體腔的腔長(zhǎng)徑比為11 :1時(shí)其有效發(fā)射率達(dá)到最 大，故所述光纖黑體腔腔長(zhǎng)取2. 8_。
[0016] 光纖黑體腔的制作步驟如下： a) 截取長(zhǎng)度26cm芯徑為250 μ m的藍(lán)寶石光纖。在藍(lán)寶石光纖的側(cè)表面用金剛石切割 刀輕輕刻劃數(shù)下，小心敲斷取下； b) 將藍(lán)寶石光纖端面研磨拋光。將藍(lán)寶石光纖一端通過(guò)光纖插芯裝入手持不銹鋼研磨 盤，保持光纖端面與研磨盤底面平齊，順次采用6 μ m及1 μ m規(guī)格的金剛石研磨紙對(duì)藍(lán)寶石 光纖端面進(jìn)行手工拋光，拋光時(shí)間分別為60s及40s ; c) 對(duì)步驟b)得到的藍(lán)寶石光纖取下插芯，其一端6cm長(zhǎng)的區(qū)域分別用丙酮、酒精和去 離子水超聲清洗10分鐘，然后用氮?dú)獯蹈伞Ｔ儆玫入x子清洗機(jī)對(duì)光纖該部分區(qū)域處理5分 鐘； d) 將步驟c)清洗后的藍(lán)寶石光纖用錫紙包裹，露出2. 8mm長(zhǎng)的光纖，將光纖裝入 JSD450-III型自動(dòng)濺射平臺(tái)，用濺射腔內(nèi)的光纖夾具固定光纖，調(diào)整好夾具的旋轉(zhuǎn)程度及 光纖到濺射靶的距離； e) 確保濺射腔封閉，對(duì)其抽真空，當(dāng)濺射腔內(nèi)真空度達(dá)到5X l(T4Pa后設(shè)置濺射壓強(qiáng)， 通入濺射氣體。設(shè)定1層薄膜材料為鑰，終厚為200nm，2層薄膜材料為氧化鋁，終厚為20nm。 啟動(dòng)鑰靶材電源，功率設(shè)定為200w。待鑰膜厚度達(dá)200nm后啟動(dòng)氧化鋁靶材電源，射頻功率 設(shè)定為300w。濺射結(jié)束后，關(guān)停真空泵，對(duì)濺射腔充氣后，小心取出光纖。此處，鑰薄膜的厚 度僅為200nm，且滿足在紅外波段下透射率在0. 15%以下，并具有較高的熱導(dǎo)速率。薄膜與 光纖基體結(jié)合牢固。
[0017] f)對(duì)步驟e)得到的藍(lán)寶石光纖未鍍膜的另一端用步驟b)的方法進(jìn)行端面的研磨 拋光，并以步驟c)的方法清洗，對(duì)該端制成FC/PC型接頭與石英多模光纖對(duì)接以傳輸光纖 黑體腔輻射信號(hào)。
【權(quán)利要求】
1. 一種黑體腔式高溫傳感器，包括藍(lán)寶石光纖，光纖的一端包覆有金屬薄膜形成光 纖黑體腔，光纖的另一端連接光纖接頭，其特征在于，所述金屬薄膜采用鑰薄膜，厚度為 200nm ;所述光纖黑體腔的腔體長(zhǎng)度與光纖直徑比為11 :1。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種黑體腔式高溫傳感器，其特征在于，所述金屬薄膜外還 包覆一層氧化物保護(hù)薄膜，厚度為20nm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種黑體腔式高溫傳感器，其特征在于，所述藍(lán)寶石光纖 的芯徑為250 μ m。
4. 一種如權(quán)利要求1所述的黑體腔式高溫傳感器的制備方法，其具體工藝步驟如下： a) 截取長(zhǎng)度為26cm、芯徑為250 μ m的藍(lán)寶石光纖； b) 將藍(lán)寶石光纖裝入手持研磨盤，順次采用6 μ m及1 μ m規(guī)格的金剛石研磨紙對(duì)藍(lán)寶 石光纖端面進(jìn)行手工拋光，拋光時(shí)間分別為60s及40s ; c) 對(duì)步驟b)得到的藍(lán)寶石光纖一端6cm長(zhǎng)的區(qū)域分別用丙酮、酒精和去離子水超聲清 洗，然后用氮?dú)獯蹈?；再用等離子清洗機(jī)對(duì)光纖該部分區(qū)域處理數(shù)分鐘； d) 將步驟c)清洗后的藍(lán)寶石光纖包裹，使需鍍膜部分露出，將光纖裝入自動(dòng)濺射平 臺(tái)，用夾具固定光纖； e) 設(shè)定濺射參數(shù)，依次對(duì)光纖濺射200nm厚度的鑰薄膜及20nm厚度的氧化鋁薄膜； f) 對(duì)步驟e)得到的藍(lán)寶石光纖未鍍膜的另一端用步驟b)的方法進(jìn)行端面拋光，并以 步驟c)的方法清洗，對(duì)該端制成FC/PC型接頭與石英光纖對(duì)接以傳輸光纖黑體腔輻射信 號(hào)。
【文檔編號(hào)】G01K11/32GK104048778SQ201410284839
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年6月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月23日
【發(fā)明者】王鳴, 胡章中, 王凱, 馬鑫, 黃浩斐 申請(qǐng)人:南京師范大學(xué)