[发明专利]以ZnO薄膜为敏感元件的光纤温度测量方法及其光纤温度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤温度测量方法及其光纤温度传感器。

背景技术

光纤温度传感器在工业生产，航天等领域有着广泛的应用前景。它采用探头和仪表分离，光纤做光路，增加了环境适应能力，因为光纤本身具有很多固有的优点，如长距离低损耗、易弯曲、体积小、重量轻、成本低、防水、放火、耐腐蚀、抗电磁干扰等。目前已出现多种光纤温度传感器。例如辐射型光纤温度传感器，其理论依据是普朗克辐射定律，它对高温物体具有很高的灵敏度，但无法应用于低温区域；荧光测温型光纤温度传感器，它是利用荧光寿命与温度对应关系来测量温度，但只适用于低温区；利用半导体晶体薄片(如砷化镓等)吸收光谱的温变特性制成的吸收式温度传感器，而该种传感器存在着结构复杂、制作成本较高，且测温范围相对较窄的不足。

发明内容

为了克服已有的光纤温度测量方法以及光纤温度传感器的测温范围较窄、不能同时适用于高温和低温测试的不足，本发明提供一种能扩大测温范围、并同时适用于高温和低温测试的以ZnO薄膜为敏感元件的光纤温度测量方法及其光纤温度传感器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种以ZnO薄膜为敏感元件的光纤温度测量方法，利用电子束蒸发的方法，在蓝宝石光纤端面上生长一层结晶良好的ZnO薄膜，所述的ZnO薄膜作为温度敏感元件，通过检测透射光谱，观察吸收边移动实现温度测量。

进一步，温度测量的区间为：10～1000K。

一种光纤温度传感器，所述光纤为蓝宝石光纤，在所述蓝宝石光纤端面上生长一层结晶良好的ZnO薄膜，所述所述的ZnO薄膜作为温度敏感元件。

本发明的技术构思为：利用电子束蒸发的方法，在蓝宝石光纤端面上生长一层结晶良好的ZnO薄膜，作为敏感元件，制备光纤温度传感器。

本发明实现大范围测温的原理如下：

研究表明，在10～1000K温度范围内，ZnO的禁带宽度能量E_g(T)与温度T的关系为：

 E_g(T)＝E_g(0)+rT²/(T+β)    (1)

上式(1)中：E_g(T)和E_g(0)分别是温度为TK和0K时半导体的禁带宽度能量，单位是eV；r和β是两个与材料有关的常量，单位分别是eVK^-1，K。半导体ZnO材料的吸收光谱随温度的变化而发生改变，一束光在通过ZnO材料时，材料会吸收一部分能量，当光子能量超过半导体禁带宽度E_g(T)时，所吸收光的波长如式(2)所示：

λg(T)=hcEg(T)---(2)]]>

式中λ_g(T)是半导体的吸收边波长；h为普朗克常量；c为光速。由(1)和(2)得：