[实用新型]一种反射式光纤温度传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及光纤传感领域，尤其涉及一种反射式光纤温度传感器。 

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。它的探头和仪表分离，采用光纤作为光路，能在恶劣环境下进行非接触式、非破坏性以及远距离测量，增加了传感器的环境适应能力，并利用了光纤本身具有的优点，如长距离低损耗、易弯曲、体积小、重量轻、成本低、防水、防火、耐腐蚀、抗电磁干扰等。同时，它还便于与计算机相连，实现智能化和远距离监控，不少情况下能够完成传统传感器很难完成甚至不能完成的任务。 

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；吸收式温度传感器，它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，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。这些传感器的测温系统大多采用光强调制的方式，光源和光探测器性能的稳定和光纤耦合效率变动对这些系统测量精度影响非常大。 

中国专利CN101598609A公开了一种光纤温度传感器，在蓝宝石光纤的端面上蒸镀一层ZnO薄膜作为温度敏感元件，其测温范围为10～1000K。但是这种光纤温度传感器在实际测温时需要和普通石英光纤耦合，不可避免地存在多处端面损耗从而降低了总耦合效率。此外该光纤温度传感器由于采用了透射式光路，在实际测量中，光源和光探测装置必须分置在传感器的两端，这种检测光路的配置方式在多数测试环境下难以实现，不利于做成可随意安插于所需测温环境中的便携式产品。 

发明内容

本实用新型针对传统光纤温度传感器的上述缺点，提供了一种集高温和低温测试功能为一体的反射式光纤温度传感器。 

一种反射式光纤温度传感器，包括套管、位于套管一端的蓝宝石等腰直角三棱镜和位于套管另一端的凸透镜，所述的蓝宝石等腰直角三棱镜的斜边面朝向套管的内侧，蓝宝石等腰直角三棱镜的斜边面上设有ZnO薄 膜；凸透镜相对于蓝宝石等腰直角三棱镜的另一侧设有用于传输光线的光纤，光纤的端面与凸透镜的距离为凸透镜的焦距，光纤的端面位于凸透镜的焦点处； 

所述的凸透镜的光轴垂直于蓝宝石等腰直角三棱镜的斜边面，凸透镜的光轴与蓝宝石等腰直角三棱镜的斜边面的交点大致位于蓝宝石等腰直角三棱镜的斜边面的中心；蓝宝石等腰直角三棱镜熔点为2318K，ZnO薄膜的熔点为2248K，使得该反射式光纤温度传感器的测温范围为10～1800K(-263～1527℃)，可以满足一般实际工况下高、低温测量要求。 

所述的蓝宝石等腰直角三棱镜的斜边面的晶轴取向为(0001)，由于(0001)晶向的蓝宝石(Al₂O₃)具有与ZnO相同的六方纤锌矿晶体结构，与ZnO热匹配相对较好，作为生长基底容易得到大尺寸、高质量的ZnO薄膜。 

优选的，所述的套管和凸透镜均为蓝宝石材质，由于蓝宝石和ZnO一样具有耐高温和化学性能稳定等优点，在经过高、低温前后光谱曲线几乎没有任何变化。此外，蓝宝石的光学吸收边在可见波段，ZnO薄膜的光学吸收边在紫外(360-380nm)波段，两者不会相互影响，可有效地减小损耗，提高测量精度。 

实际测量时，凸透镜一侧的光纤连接光源和光线探测装置、数据采集分析装置，由于光纤的直径相对于凸透镜的表面积很小，对于凸透镜，光纤的端面可以等效为一个点光源。由于光纤的端面与凸透镜的距离为凸透镜的焦距，并位于凸透镜的焦点处，光纤端面发出的光线经凸透镜后，变成与凸透镜的光轴相平行的光线，并垂直于蓝宝石等腰直角三棱镜的斜边面入射。由于蓝宝石的折射率为1.762～1.770，其临界角为34.4～34.6°，进入蓝宝石等腰直角三棱镜对两个直角边面的入射角均为45°，超过了蓝宝石的临界角，而在两个直角边面都会发生全反射。在两个直角边面发生全发射后，以平行光的形式垂直于斜边面出射，经凸透镜的汇聚作用，汇聚到凸透镜焦点处的光纤端面，并由数据采集装置接收。