PbSe量子點液芯光纖溫度傳感器的製作及溫度檢測方法
2023-12-11 15:26:57
PbSe量子點液芯光纖溫度傳感器的製作及溫度檢測方法
【專利摘要】本發明公開了一種PbSe量子點液芯光纖溫度傳感器的製作及溫度檢測方法。製作方法分為選定多種尺寸的膠體PbSe量子點，製備膠體PbSe量子點溶液，將膠體PbSe量子點溫度敏感螢光材料溶液和三氯乙烯溶液分別注入型號相同的空心光纖中並進行封裝，完成膠體PbSe量子點液芯光纖敏感元件的製作，構建膠體PbSe量子點液芯光纖溫度傳感器等五個步驟。溫度檢測方法分為製作膠體PbSe液芯光纖溫度傳感器，標定膠體PbSe量子點液芯光纖溫度傳感器，應用膠體PbSe量子點液芯光纖溫度傳感器進行多點溫度檢測等三個步驟。本發明所設計的裝置可實現多點的溫度檢測，所採用的螢光材料成本低、使用壽命長、高量子產率，所設計的溫度傳感器製作成本低、結構簡單、穩定性好。
【專利說明】PbSe量子點液芯光纖溫度傳感器的製作及溫度檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及溫度檢測和光纖溫度傳感器領域，涉及一種膠體PbSe量子點液芯光纖溫度傳感器件的結構設計、製作和多點溫度檢測的方法。
【背景技術】
[0002]隨著光纖測溫技術的興起，光纖溫度傳感器得到廣泛的研究及應用。光纖具有不帶電、體積小、質量輕、易彎曲、抗輻射性能好等優點。同時其作為傳輸材料，具有工作頻率寬、動態範圍大等優勢。光纖溫度傳感器與傳統的溫度傳感器相比，具有諸多優點:光波不產生電磁幹擾、易被各種探測器件接收、可進行光電或電光轉換、易與高度發展的現代電子裝置相匹配等。其被廣泛的應用於易燃、易爆、空間受嚴格限制及強電磁幹擾等惡劣環境下。
[0003]光纖溫度傳感器主要分為分布式光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器、光纖螢光溫度傳感器、幹涉型光纖溫度傳感器等，而其中光纖螢光溫度傳感器是目前研究較為活躍的新型光纖溫度傳感器。目前，光纖螢光溫度傳感器主要使用稀土材料或有機材料作為螢光材料，不僅成本高、使用壽命受環境因素影響，同時其波長範圍無法滿足一些探測器接收範圍。膠體半導體量子點材料是一種新型的螢光材料，與傳統光纖螢光溫度傳感器使用的螢光材料相比，具有使用壽命長、成本低、螢光量子產率高、尺寸可調的發射光譜等獨有優勢，可作為新型的光轉換材料。膠體硒化鉛(PbSe)量子點在近紅外區域具有很強的量子限域和高量子產率(>85% )，而且其螢光性質與溫度直接相關。因此，膠體PbSe量子點作為光纖溫度傳感器的螢光轉換材料顯示出良好的應用前景。
[0004]基於上述背景，研製新型的傳感方法，設計具有成本低、壽命長、光量子產率高、發射光譜域寬等優點的膠體PbSe量子點光纖螢光溫度傳感器件，有助於推動溫度檢測技術的進一步發展。經查找，製作基於膠體PbSe量子點液芯光纖敏感元件的膠體PbSe量子點液芯光纖溫度傳感器，並實現溫度檢測的方法在國內外未見有相關報導。
【發明內容】
[0005]為了克服光纖螢光溫度傳感器存在的螢光材料壽命受環境因素影響、成本昂貴、低量子產率、波長域窄等缺點，本發明提供一種PbSe量子點液芯光纖溫度傳感器的製作及溫度檢測方法，該方法採用膠體PbSe量子點作為光纖中的溫度敏感螢光材料，利用其尺寸、溫度依賴的光致發光性質和特定尺寸的膠體PbSe量子點發射光譜強度與溫度的一一對應關係，採用一系列工藝方法，製作基於膠體PbSe量子點液芯光纖溫度敏感元件，並構建膠體PbSe量子點液芯光纖溫度傳感器。在膠體PbSe量子點液芯光纖溫度傳感器中，將溫度依賴的多點液芯光纖敏感元件輸出的光信號，通過光電器件轉換為電信號，經由放大器放大、A/D轉換器、單片機採集和數據處理後，傳輸給顯示器顯示讀數，實現溫度的多點檢測。本發明所構建的膠體PbSe量子點液芯光纖溫度傳感器的溫度檢測範圍是(TC?90°C，解析度為0.1°C。
[0006]本發明採用如下技術方案實現的，結合【專利附圖】
【附圖說明】如下:
[0007]1、PbSe量子點液芯光纖溫度傳感器的製造方法,其特徵在於,使用膠體PbSe量子點作為溫度敏感螢光材料，製作一種多個溫度敏感元件串聯組合的膠體PbSe量子點液芯光纖溫度敏感元件，並基於此種敏感元件設計一種適用於多點溫度檢測的光纖溫度傳感器，PbSe量子點液芯光纖溫度傳感器的製造方法如下:
[0008]第一步、選定多種尺寸的膠體PbSe量子點:選取光電探測器，要求膠體PbSe量子點液芯光纖敏感兀件輸出的光信號，即膠體PbSe量子點的發射光譜中心波長,落在光電探測器響應光譜的中心區域；選定膠體PbSe量子點的吸收光譜第一激子吸收峰中心波長後，
根據公式 1,
【權利要求】
1.PbSe量子點液芯光纖溫度傳感器的製造方法，其特徵在於，使用膠體PbSe量子點作為溫度敏感螢光材料，製作一種多個溫度敏感元件串聯組合的膠體PbSe量子點液芯光纖溫度敏感元件，並基於此種敏感元件設計一種適用於多點溫度檢測的光纖溫度傳感器，PbSe量子點液芯光纖溫度傳感器的製造方法如下: 第一步、選定多種尺寸的膠體PbSe量子點:選取光電探測器，要求膠體PbSe量子點液芯光纖敏感兀件輸出的光信號，即膠體PbSe量子點的發射光譜中心波長,落在光電探測器響應光譜的中心區域；選定膠體PbSe量子點的吸收光譜第一激子吸收峰中心波長後，根據八 _p.1 τ% f、aChth )- 】43?73公式 I，D〔mn)=-
、 ,281.25 計算出相應的膠體PbSe量子點尺寸，公式I中λ為膠體PbSe量子點的吸收光譜第一激子吸收峰中心波長，D為膠體PbSe量子點的尺寸；通過尺寸調諧，膠體PbSe量子點發射光譜中心波長範圍到900?2200nm ； 第二步、製備膠體PbSe量子點溶液:根據第一步所得到的膠體PbSe量子點的尺寸，製備相應尺寸的膠體PbSe量子點溶液，並將其分別於三氯乙烯溶液進行混合，生成膠體PbSe量子點與三氯乙烯混合溶液，即膠體PbSe量子點溫度敏感螢光材料溶液，其濃度根據實際要求確定； 第三步、將膠體PbSe量子點溫度敏感螢光材料溶液和三氯乙烯溶液分別注入型號相同的空心光纖中，並進行封裝:選取多段光纖型號相同但長度不同的空心光纖，光纖長度根據實際需要確定；將製備的膠體PbSe量子點與三氯乙烯混合溶液以及三氯乙烯溶液通過液壓注入法分別注入到每一段光纖中，光纖中注入的試劑類型根據實際要求決定；將每段光纖的埠通過無影膠，即Ultrav1let Rays glue進行封裝,無影膠的厚度為50 μ m?100 μ m ； 第四步、完成膠體PbSe量子點液芯光纖敏感元件的製作:將每兩段光纖之間使用耦合連接器進行連接，以注入膠體PbSe量子點溫度敏感螢光材料的光纖、注入三氯乙烯溶液的光纖的方式進行連接，讓注入尺寸小的膠體PbSe量子點溫度敏感螢光材料的光纖段比注入尺寸較大的膠體PbSe量子點溫度敏感螢光材料的光纖段更靠近光學選品系統(4)，至此完成了多點溫度檢測液芯光纖敏感元件的製作； 第五步、構建膠體PbSe量子點液芯光纖溫度傳感器:構建由雷射器(I)、準直耦合透鏡(2)、多點檢測的膠體PbSe量子點液芯光纖敏感元件(3)、光學選品系統(4)、信號轉換處理系統(5)、單片機控制採集系統￠)、顯示器(7)組成的膠體PbSe量子點液芯光纖溫度傳感器；其中光學選品系統(4)包括與膠體PbSe量子點發射光譜的中心波長相同的近紅外光濾光片，其由多組不同濾光片組成，可通過電機帶動濾光片的位置，以實現對膠體PbSe量子點不同發射光譜的峰值波長選品的目的；信號轉換處理系統(5)包括接收膠體PbSe量子點發射光譜波長的探測器、放大器和A/D轉換器；單片機控制系統(6)包括電機，它通過單片機對電機發出指令，從而控制濾光片的轉換。
2.根據權利要求1所述的PbSe量子點液芯光纖溫度傳感器的製造方法，其特徵在於，所述的多個膠體PbSe量子點液芯光纖溫度敏感元件分別使用多種尺寸膠體PbSe量子點作為溫度敏感螢光材料，多種尺寸膠體PbSe量子點發射光譜的中心波長需要保持一定間隔，避免發生光譜信號的重疊，影響溫度檢測的精度。
3.根據權利要求1所述的PbSe量子點液芯光纖溫度傳感器的製造方法，其特徵在於，所選取的無影膠能夠透過近紅外光和可見光，並起到密封的作用；所選取的三氯乙烯溶液起到全反射的作用，並且不吸收可見光和近紅外光。
4.根據權利要求1所述的PbSe量子點液芯光纖溫度傳感器的製造方法，其特徵在於，通過注入膠體PbSe量子點的濃度調整膠體PbSe量子點液芯光纖敏感元件中PbSe量子點的發射強度，從而控制系統的輸出電壓。
5.—種PbSe量子點液芯光纖溫度傳感器的溫度檢測方法,其特徵在於,提出一種基於膠體PbSe液芯光纖溫度傳感器的多點溫度檢測方法，具體檢測方法如下: 第一步、製作膠體PbSe液芯光纖溫度傳感器； 第二步、標定膠體PbSe量子點液芯光纖溫度傳感器:首先選取一段注入有膠體PbSe量子點的光纖段進行標定，對其進行加熱，系統會輸出一個電壓值，同時使用鉬電阻溫度傳感器測量膠體PbSe量子點的光纖段加熱後的溫度，完成一組數據的採集；使用此方法，多次採集數據，選取其中一組數據作為標準值，然後使用數值擬合法，得出公式2，
T (°C ) = aU (V) +b 其中T為被測物體溫度，U為檢測系統輸出的電壓，a、b為常數；通過測量的溫度和電壓值，計算出公式2中的a、b，依據a、b的值及公式2，進行膠體PbSe量子點液芯光纖敏感元件中該段光纖的標定；然後對其餘注入其他尺寸膠體PbSe量子點的光纖段重複上述標定過程，分別進行數值擬合，得出多組a、b的值，帶入公式2，實現膠體PbSe量子點液芯光纖溫度傳感器的標定； 第三步、應用膠體PbSe量子點液芯光纖溫度傳感器進行多點溫度檢測:膠體PbSe量子點液芯光纖敏感元件(3)中含有多個填充有膠體PbSe量子點與三氯乙烯混合溶液的部分，將這些部分放置於不同的被測物區域上，被測物區域從左到右依次編號為I，II...，其中能夠測定溫度的物體數量由光纖中膠體PbSe量子點與三氯乙烯混合溶液的數量決定；測定區域I的溫度，打開雷射器(I)，射出一束雷射，雷射通過準直、耦合透鏡(2)進入到多點檢測的膠體PbSe量子點液芯光纖敏感元件(3)中，多點檢測的膠體PbSe量子點液芯光纖敏感元件(3)被激發所輻射出的紅外光經由光學選品系統(4)、信號轉換處理系統(5)、單片機控制系統(6)後，在顯示器(7)上輸出讀數；此時，光學選品系統(4)中的濾光片過濾掉與液芯光纖敏感元件中膠體PbSe量子點發射光譜的中心波長不一致的波長；最後，應用公式2計算得出區域I的實時溫度；當測定區域II的溫度時，單片機控制採集系統(6)對電機發出指令，電機帶動濾光片旋轉，旋轉成發射光譜的中心波長與檢測區域II光纖段的膠體PbSe量子點發射光譜的中心波長一致的濾光片，再使用上述方法測定區域II的溫度，依照上述方法實現多區域溫度的檢測。
6.根據權利要求5所述的一種PbSe量子點液芯光纖溫度傳感器的溫度檢測方法,其特徵在於，所述的膠體PbSe量子點在光纖中依然具有溫度尺寸依賴性，當選取的膠體PbSe量子點尺寸一定，其發射光譜的強度與溫度有一一對應的關係，且兩者成線性關係，因此光信號被探測器轉換為電信號後，溫度與系統輸出電壓依然成線性關係。
【文檔編號】G01K11/32GK104165706SQ201410405996
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月15日 優先權日:2014年8月15日
【發明者】張宇, 王鶴林, 吳華, 於偉泳, 王一丁, 張鐵強, 王國光 申請人:吉林大學