PbSe量子點(diǎn)液芯光纖溫度傳感器的制作及溫度檢測(cè)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種PbSe量子點(diǎn)液芯光纖溫度傳感器的制作及溫度檢測(cè)方法。制作方法分為選定多種尺寸的膠體PbSe量子點(diǎn)，制備膠體PbSe量子點(diǎn)溶液，將膠體PbSe量子點(diǎn)溫度敏感熒光材料溶液和三氯乙烯溶液分別注入型號(hào)相同的空心光纖中并進(jìn)行封裝，完成膠體PbSe量子點(diǎn)液芯光纖敏感元件的制作，構(gòu)建膠體PbSe量子點(diǎn)液芯光纖溫度傳感器等五個(gè)步驟。溫度檢測(cè)方法分為制作膠體PbSe液芯光纖溫度傳感器，標(biāo)定膠體PbSe量子點(diǎn)液芯光纖溫度傳感器，應(yīng)用膠體PbSe量子點(diǎn)液芯光纖溫度傳感器進(jìn)行多點(diǎn)溫度檢測(cè)等三個(gè)步驟。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的裝置可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)的溫度檢測(cè)，所采用的熒光材料成本低、使用壽命長(zhǎng)、高量子產(chǎn)率，所設(shè)計(jì)的溫度傳感器制作成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好。
【專(zhuān)利說(shuō)明】PbSe量子點(diǎn)液芯光纖溫度傳感器的制作及溫度檢測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及溫度檢測(cè)和光纖溫度傳感器領(lǐng)域，涉及一種膠體PbSe量子點(diǎn)液芯光纖溫度傳感器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制作和多點(diǎn)溫度檢測(cè)的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著光纖測(cè)溫技術(shù)的興起，光纖溫度傳感器得到廣泛的研究及應(yīng)用。光纖具有不帶電、體積小、質(zhì)量輕、易彎曲、抗輻射性能好等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)其作為傳輸材料，具有工作頻率寬、動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)勢(shì)。光纖溫度傳感器與傳統(tǒng)的溫度傳感器相比，具有諸多優(yōu)點(diǎn):光波不產(chǎn)生電磁干擾、易被各種探測(cè)器件接收、可進(jìn)行光電或電光轉(zhuǎn)換、易與高度發(fā)展的現(xiàn)代電子裝置相匹配等。其被廣泛的應(yīng)用于易燃、易爆、空間受?chē)?yán)格限制及強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)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、光纖熒光溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器等，而其中光纖熒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，光纖熒光溫度傳感器主要使用稀土材料或有機(jī)材料作為熒光材料，不僅成本高、使用壽命受環(huán)境因素影響，同時(shí)其波長(zhǎng)范圍無(wú)法滿足一些探測(cè)器接收范圍。膠體半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料是一種新型的熒光材料，與傳統(tǒng)光纖熒光溫度傳感器使用的熒光材料相比，具有使用壽命長(zhǎng)、成本低、熒光量子產(chǎn)率高、尺寸可調(diào)的發(fā)射光譜等獨(dú)有優(yōu)勢(shì)，可作為新型的光轉(zhuǎn)換材料。膠體硒化鉛(PbSe)量子點(diǎn)在近紅外區(qū)域具有很強(qiáng)的量子限域和高量子產(chǎn)率(>85% )，而且其熒光性質(zhì)與溫度直接相關(guān)。因此，膠體PbSe量子點(diǎn)作為光纖溫度傳感器的熒光轉(zhuǎn)換材料顯示出良好的應(yīng)用前景。
[0004]基于上述背景，研制新型的傳感方法，設(shè)計(jì)具有成本低、壽命長(zhǎng)、光量子產(chǎn)率高、發(fā)射光譜域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)的膠體PbSe量子點(diǎn)光纖熒光溫度傳感器件，有助于推動(dòng)溫度檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。經(jīng)查找，制作基于膠體PbSe量子點(diǎn)液芯光纖敏感元件的膠體PbSe量子點(diǎn)液芯光纖溫度傳感器，并實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)的方法在國(guó)內(nèi)外未見(jiàn)有相關(guān)報(bào)道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服光纖熒光溫度傳感器存在的熒光材料壽命受環(huán)境因素影響、成本昂貴、低量子產(chǎn)率、波長(zhǎng)域窄等缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種PbSe量子點(diǎn)液芯光纖溫度傳感器的制作及溫度檢測(cè)方法，該方法采用膠體PbSe量子點(diǎn)作為光纖中的溫度敏感熒光材料，利用其尺寸、溫度依賴(lài)的光致發(fā)光性質(zhì)和特定尺寸的膠體PbSe量子點(diǎn)發(fā)射光譜強(qiáng)度與溫度的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用一系列工藝方法，制作基于膠體PbSe量子點(diǎn)液芯光纖溫度敏感元件，并構(gòu)建膠體PbSe量子點(diǎn)液芯光纖溫度傳感器。在膠體PbSe量子點(diǎn)液芯光纖溫度傳感器中，將溫度依賴(lài)的多點(diǎn)液芯光纖敏感元件輸出的光信號(hào)，通過(guò)光電器件轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)由放大器放大、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)采集和數(shù)據(jù)處理后，傳輸給顯示器顯示讀數(shù)，實(shí)現(xiàn)溫度的多點(diǎn)檢測(cè)。本發(fā)明所構(gòu)建的膠體PbSe量子點(diǎn)液芯光纖溫度傳感器的溫度檢測(cè)范圍是(TC?90°C，分辨率為0.1°C。
[0006]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，結(jié)合【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】如下:
[0007]1、PbSe量子點(diǎn)液芯光纖溫度傳感器的制造方法,其特征在于,使用膠體PbSe量子點(diǎn)作為溫度敏感熒光材料，制作一種多個(gè)溫度敏感元件串聯(lián)組合的膠體PbSe量子點(diǎn)液芯光纖溫度敏感元件，并基于此種敏感元件設(shè)計(jì)一種適用于多點(diǎn)溫度檢測(cè)的光纖溫度傳感器，PbSe量子點(diǎn)液芯光纖溫度傳感器的制造方法如下:
[0008]第一步、選定多種尺寸的膠體PbSe量子點(diǎn):選取光電探測(cè)器，要求膠體PbSe量子點(diǎn)液芯光纖敏感兀件輸出的光信號(hào)，即膠體PbSe量子點(diǎn)的發(fā)射光譜中心波長(zhǎng),落在光電探測(cè)器響應(yīng)光譜的中心區(qū)域；選定膠體PbSe量子點(diǎn)的吸收光譜第一激子吸收峰中心波長(zhǎng)后，
根據(jù)公式 1,

【權(quán)利要求】
1.PbSe量子點(diǎn)液芯光纖溫度傳感器的制造方法，其特征在于，使用膠體PbSe量子點(diǎn)作為溫度敏感熒光材料，制作一種多個(gè)溫度敏感元件串聯(lián)組合的膠體PbSe量子點(diǎn)液芯光纖溫度敏感元件，并基于此種敏感元件設(shè)計(jì)一種適用于多點(diǎn)溫度檢測(cè)的光纖溫度傳感器，PbSe量子點(diǎn)液芯光纖溫度傳感器的制造方法如下: 第一步、選定多種尺寸的膠體PbSe量子點(diǎn):選取光電探測(cè)器，要求膠體PbSe量子點(diǎn)液芯光纖敏感兀件輸出的光信號(hào)，即膠體PbSe量子點(diǎn)的發(fā)射光譜中心波長(zhǎng),落在光電探測(cè)器響應(yīng)光譜的中心區(qū)域；選定膠體PbSe量子點(diǎn)的吸收光譜第一激子吸收峰中心波長(zhǎng)后，根據(jù)八 _p.1 τ% f、aChth )- 】43?73公式 I，D〔mn)=-
、 ,281.25 計(jì)算出相應(yīng)的膠體PbSe量子點(diǎn)尺寸，公式I中λ為膠體PbSe量子點(diǎn)的吸收光譜第一激子吸收峰中心波長(zhǎng)，D為膠體PbSe量子點(diǎn)的尺寸；通過(guò)尺寸調(diào)諧，膠體PbSe量子點(diǎn)發(fā)射光譜中心波長(zhǎng)范圍到900?2200nm ； 第二步、制備膠體PbSe量子點(diǎn)溶液:根據(jù)第一步所得到的膠體PbSe量子點(diǎn)的尺寸，制備相應(yīng)尺寸的膠體PbSe量子點(diǎn)溶液，并將其分別于三氯乙烯溶液進(jìn)行混合，生成膠體PbSe量子點(diǎn)與三氯乙烯混合溶液，即膠體PbSe量子點(diǎn)溫度敏感熒光材料溶液，其濃度根據(jù)實(shí)際要求確定； 第三步、將膠體PbSe量子點(diǎn)溫度敏感熒光材料溶液和三氯乙烯溶液分別注入型號(hào)相同的空心光纖中，并進(jìn)行封裝:選取多段光纖型號(hào)相同但長(zhǎng)度不同的空心光纖，光纖長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際需要確定；將制備的膠體PbSe量子點(diǎn)與三氯乙烯混合溶液以及三氯乙烯溶液通過(guò)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(lèi)型根據(jù)實(shí)際要求決定；將每段光纖的端口通過(guò)無(wú)影膠，即Ultrav1let Rays glue進(jìn)行封裝,無(wú)影膠的厚度為50 μ m?100 μ m ； 第四步、完成膠體PbSe量子點(diǎn)液芯光纖敏感元件的制作:將每?jī)啥喂饫w之間使用耦合連接器進(jìn)行連接，以注入膠體PbSe量子點(diǎn)溫度敏感熒光材料的光纖、注入三氯乙烯溶液的光纖的方式進(jìn)行連接，讓注入尺寸小的膠體PbSe量子點(diǎn)溫度敏感熒光材料的光纖段比注入尺寸較大的膠體PbSe量子點(diǎn)溫度敏感熒光材料的光纖段更靠近光學(xué)選品系統(tǒng)(4)，至此完成了多點(diǎn)溫度檢測(cè)液芯光纖敏感元件的制作； 第五步、構(gòu)建膠體PbSe量子點(diǎn)液芯光纖溫度傳感器:構(gòu)建由激光器(I)、準(zhǔn)直耦合透鏡(2)、多點(diǎn)檢測(cè)的膠體PbSe量子點(diǎn)液芯光纖敏感元件(3)、光學(xué)選品系統(tǒng)(4)、信號(hào)轉(zhuǎn)換處理系統(tǒng)(5)、單片機(jī)控制采集系統(tǒng)￠)、顯示器(7)組成的膠體PbSe量子點(diǎn)液芯光纖溫度傳感器；其中光學(xué)選品系統(tǒng)(4)包括與膠體PbSe量子點(diǎn)發(fā)射光譜的中心波長(zhǎng)相同的近紅外光濾光片，其由多組不同濾光片組成，可通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)濾光片的位置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)膠體PbSe量子點(diǎn)不同發(fā)射光譜的峰值波長(zhǎng)選品的目的；信號(hào)轉(zhuǎn)換處理系統(tǒng)(5)包括接收膠體PbSe量子點(diǎn)發(fā)射光譜波長(zhǎng)的探測(cè)器、放大器和A/D轉(zhuǎn)換器；單片機(jī)控制系統(tǒng)(6)包括電機(jī)，它通過(guò)單片機(jī)對(duì)電機(jī)發(fā)出指令，從而控制濾光片的轉(zhuǎn)換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PbSe量子點(diǎn)液芯光纖溫度傳感器的制造方法，其特征在于，所述的多個(gè)膠體PbSe量子點(diǎn)液芯光纖溫度敏感元件分別使用多種尺寸膠體PbSe量子點(diǎn)作為溫度敏感熒光材料，多種尺寸膠體PbSe量子點(diǎn)發(fā)射光譜的中心波長(zhǎng)需要保持一定間隔，避免發(fā)生光譜信號(hào)的重疊，影響溫度檢測(cè)的精度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PbSe量子點(diǎn)液芯光纖溫度傳感器的制造方法，其特征在于，所選取的無(wú)影膠能夠透過(guò)近紅外光和可見(jiàn)光，并起到密封的作用；所選取的三氯乙烯溶液起到全反射的作用，并且不吸收可見(jiàn)光和近紅外光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PbSe量子點(diǎn)液芯光纖溫度傳感器的制造方法，其特征在于，通過(guò)注入膠體PbSe量子點(diǎn)的濃度調(diào)整膠體PbSe量子點(diǎn)液芯光纖敏感元件中PbSe量子點(diǎn)的發(fā)射強(qiáng)度，從而控制系統(tǒng)的輸出電壓。
5.—種PbSe量子點(diǎn)液芯光纖溫度傳感器的溫度檢測(cè)方法,其特征在于,提出一種基于膠體PbSe液芯光纖溫度傳感器的多點(diǎn)溫度檢測(cè)方法，具體檢測(cè)方法如下: 第一步、制作膠體PbSe液芯光纖溫度傳感器； 第二步、標(biāo)定膠體PbSe量子點(diǎn)液芯光纖溫度傳感器:首先選取一段注入有膠體PbSe量子點(diǎn)的光纖段進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)其進(jìn)行加熱，系統(tǒng)會(huì)輸出一個(gè)電壓值，同時(shí)使用鉬電阻溫度傳感器測(cè)量膠體PbSe量子點(diǎn)的光纖段加熱后的溫度，完成一組數(shù)據(jù)的采集；使用此方法，多次采集數(shù)據(jù)，選取其中一組數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)值，然后使用數(shù)值擬合法，得出公式2，
T (°C ) = aU (V) +b 其中T為被測(cè)物體溫度，U為檢測(cè)系統(tǒng)輸出的電壓，a、b為常數(shù)；通過(guò)測(cè)量的溫度和電壓值，計(jì)算出公式2中的a、b，依據(jù)a、b的值及公式2，進(jìn)行膠體PbSe量子點(diǎn)液芯光纖敏感元件中該段光纖的標(biāo)定；然后對(duì)其余注入其他尺寸膠體PbSe量子點(diǎn)的光纖段重復(fù)上述標(biāo)定過(guò)程，分別進(jìn)行數(shù)值擬合，得出多組a、b的值，帶入公式2，實(shí)現(xiàn)膠體PbSe量子點(diǎn)液芯光纖溫度傳感器的標(biāo)定； 第三步、應(yīng)用膠體PbSe量子點(diǎn)液芯光纖溫度傳感器進(jìn)行多點(diǎn)溫度檢測(cè):膠體PbSe量子點(diǎn)液芯光纖敏感元件(3)中含有多個(gè)填充有膠體PbSe量子點(diǎn)與三氯乙烯混合溶液的部分，將這些部分放置于不同的被測(cè)物區(qū)域上，被測(cè)物區(qū)域從左到右依次編號(hào)為I，II...，其中能夠測(cè)定溫度的物體數(shù)量由光纖中膠體PbSe量子點(diǎn)與三氯乙烯混合溶液的數(shù)量決定；測(cè)定區(qū)域I的溫度，打開(kāi)激光器(I)，射出一束激光，激光通過(guò)準(zhǔn)直、耦合透鏡(2)進(jìn)入到多點(diǎn)檢測(cè)的膠體PbSe量子點(diǎn)液芯光纖敏感元件(3)中，多點(diǎn)檢測(cè)的膠體PbSe量子點(diǎn)液芯光纖敏感元件(3)被激發(fā)所輻射出的紅外光經(jīng)由光學(xué)選品系統(tǒng)(4)、信號(hào)轉(zhuǎn)換處理系統(tǒng)(5)、單片機(jī)控制系統(tǒng)(6)后，在顯示器(7)上輸出讀數(shù)；此時(shí)，光學(xué)選品系統(tǒng)(4)中的濾光片過(guò)濾掉與液芯光纖敏感元件中膠體PbSe量子點(diǎn)發(fā)射光譜的中心波長(zhǎng)不一致的波長(zhǎng)；最后，應(yīng)用公式2計(jì)算得出區(qū)域I的實(shí)時(shí)溫度；當(dāng)測(cè)定區(qū)域II的溫度時(shí)，單片機(jī)控制采集系統(tǒng)(6)對(duì)電機(jī)發(fā)出指令，電機(jī)帶動(dòng)濾光片旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)成發(fā)射光譜的中心波長(zhǎng)與檢測(cè)區(qū)域II光纖段的膠體PbSe量子點(diǎn)發(fā)射光譜的中心波長(zhǎng)一致的濾光片，再使用上述方法測(cè)定區(qū)域II的溫度，依照上述方法實(shí)現(xiàn)多區(qū)域溫度的檢測(cè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種PbSe量子點(diǎn)液芯光纖溫度傳感器的溫度檢測(cè)方法,其特征在于，所述的膠體PbSe量子點(diǎn)在光纖中依然具有溫度尺寸依賴(lài)性，當(dāng)選取的膠體PbSe量子點(diǎn)尺寸一定，其發(fā)射光譜的強(qiáng)度與溫度有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，且兩者成線性關(guān)系，因此光信號(hào)被探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，溫度與系統(tǒng)輸出電壓依然成線性關(guān)系。
【文檔編號(hào)】G01K11/32GK104165706SQ201410405996
【公開(kāi)日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2014年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月15日
【發(fā)明者】張宇, 王鶴林, 吳華, 于偉泳, 王一丁, 張鐵強(qiáng), 王國(guó)光 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)