花状ZnO/石墨烯单球微纳结构温度传感器及制作方法技术

本发明专利技术公开了一种花状ZnO/石墨烯单球微纳结构温度传感器及制作方法，属于光纤传感领域。温度传感器包括ASE光源、光纤环形器、温度传感头、光谱仪。信号光由ASE光源经光纤环形器传输至温度传感头，在温度传感头中，信号光经金属铝膜反射，二次经过单模‑拉锥多模‑单模光纤结构，且借助单球微纳结构形成强干涉，并以基模形式向外传输，最后信号光由温度传感头经光纤环形器传送至光谱仪。传感器借助制备的花状ZnO/石墨烯温度敏感材料和强干涉光纤结构，使传感器干涉谱因温度变化而产生较大漂移。通过漂移量可测量对应温度变化。本发明专利技术将敏感材料和特殊的干涉型光纤结构结合，使光纤温度传感器成功实现高灵敏度、强稳定性、低成本的优越性能。

Flower like ZnO / graphene single sphere micro nano structure temperature sensor and its fabrication method

【技术实现步骤摘要】
花状ZnO/石墨烯单球微纳结构温度传感器及制作方法
本专利技术属于光纤传感器
，具体涉及一种花状ZnO/石墨烯单球微纳结构温度传感器及制作方法。
技术介绍
温度测量已遍布于人们生活的各个角落，光纤温度传感器作为温度传感器种类中的后起之秀，凭借着体积小、耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强的诸多优势，被广泛应用。然而，随着生产、生活的发展和进步，人们对传感器的灵敏性能要求越来越高。在光纤结构上的改良可以很好的提升传感器灵敏性能。近些年，将敏感材料作为传感介质，并同光纤结构相结合而成的光纤传感器，在灵敏性、稳定性等方面均取得良好进展。此类光纤传感器凭借诸多优点受到越来越多的青睐，在温度传感方面也是如此。因此，结合特殊的、拥有较强干涉效果的光纤结构，选择性能更好的敏感材料，以实现光纤温度传感器温敏性能的提升，更好的解决不同恶劣环境下温度检测问题具有重要意义。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷以及改进需要，本专利技术提供了一种花状ZnO/石墨烯单球微纳结构温度传感器及制作方法，其目的在于结合敏感材料制备方法，将新型的复合敏感材料同特殊的、拥有较强干涉效果的光纤结构相融合，并借助花状ZnO/石墨烯材料的温敏性能，制备出高灵敏度、强稳定性、低成本的光纤温度传感器，从而更好地解决一些恶劣环境下温度检测问题。为达上述目的，本专利技术采用如下技术方案：提供了花状ZnO/石墨烯单球微纳结构温度传感器，其特征在于，它包括ASE光源(1)、光纤环形器(2)、温度传感头(3)、光谱仪(4)。>所述的温度传感头(3)内包含有一号单模光纤(3-1)、多模单球微纳光纤(3-2)、花状ZnO/石墨烯敏感材料(3-3)、二号单模光纤(3-4)、金属铝膜(3-5)。所述的温度传感头(3)以多模单球微纳光纤(3-2)为主要温敏区，多模单球微纳光纤(3-2)包覆温敏性能较好的花状ZnO/石墨烯敏感材料(3-3)，并与一号单模光纤(3-1)和二号单模光纤(3-4)以光纤熔融连接的方式连接；所述的温度传感头(3)中，二号单模光纤(3-4)一端与多模单球微纳光纤(3-2)熔融连接，另一端包覆金属铝膜(3-5)。所述的ASE光源(1)通过单模光纤与光纤环形器(2)连接，光纤环形器(2)通过单模光纤与温度传感头(3)相连，光纤环形器(2)通过单模光纤与光谱仪(4)连接，且单模光纤与各器件之间采用光纤熔融连接的方式连接。所述的花状ZnO/石墨烯单球微纳结构温度传感器，其特征在于，所述的ASE光源(1)的输出中心波长为1550nm，频带宽度为60nm。所述的花状ZnO/石墨烯单球微纳结构温度传感器，其特征在于，所述的温度传感头(3)中花状ZnO/石墨烯敏感材料(3-3)为温度复合敏感材料。所述的花状ZnO/石墨烯单球微纳结构温度传感器，其特征在于，所述的温度传感头(3)中多模单球微纳光纤(3-2)与花状ZnO/石墨烯敏感材料(3-3)结合采用的方法为滴涂法。所述的花状ZnO/石墨烯单球微纳结构温度传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：多模单球微纳光纤(3-2)的制备，取长度为8cm、纤芯直径为62.5μm的多模光纤经氢氧焰熔融拉锥处理，制得多模单球微纳光纤(3-2)；S2：花状ZnO/石墨烯敏感材料(3-3)的制备，将15.0mg石墨烯粉末置于40mL去离子水中超声分散2小时，将分散后的石墨烯溶液与3.5g硝酸锌、4.8g柠檬酸、100mL去离子水混合，在75℃温度下搅拌1.5h，放入90℃的恒温干燥箱中1.5-2h，向混合液滴入浓度为1.5mol/L的氢氧化钠溶液，调节悬浮液的pH值为9.5，将悬浮液转移到反应釜内，并放入125℃恒温干燥箱中15-16h，取出后自然冷却，用去离子水洗涤产物4-5次，以5000rmp/min离心15min，得到花状ZnO/石墨烯水溶液；S3：单模-拉锥多模-单模光纤结构的制备，截取两根长5cm的单模光纤作为一号单模光纤(3-1)和二号单模光纤(3-4)，将一号单模光纤(3-1)、多模单球微纳光纤(3-2)、二号单模光纤(3-4)三者采用光纤熔融连接的方式连接，形成单模-拉锥多模-单模光纤结构；S4：金属铝膜(3-5)的包覆，将单模-拉锥多模-单模光纤结构中的二号单模光纤(3-4)未熔接的一端截短，并将反射性能较好的金属铝膜(2)包覆其上；S5：温度传感头(3)的集成，将制作好但尚未滴覆材料的单模-拉锥多模-单模光纤结构固定在玻璃基板上，用酒精和去离子水清洗，去除残留杂质，将花状ZnO/石墨烯水溶液沿多模单球微纳光纤(3-2)表面滴入，并将传感头放入恒温电热鼓风干燥箱中进行干燥处理，使敏感材料与多模单球微纳光纤(3-2)紧密结合，形成温度传感头(3)。所述的花状ZnO/石墨烯单球微纳结构温度传感器，其特征在于，所述的步骤S1中氢氧焰熔融拉锥处理，采用氢氧焰拉锥机进行熔融拉锥12.4mm，形成腰椎直径为6.92μm的多模微纳光纤，回调夹具1mm，多模微纳光纤腰椎区域经氢氧焰灼烧融球，形成多模单球微纳光纤(3-2)，单球直径13.1μm。所述的花状ZnO/石墨烯单球微纳结构温度传感器，其特征在于，所述的步骤S4金属铝膜(3-5)的包覆中，二号单模光纤(3-4)截短后的长度为3cm。所述的花状ZnO/石墨烯单球微纳结构温度传感器，其特征在于，所述的步骤S4金属铝膜(3-5)的包覆中，金属铝膜(2)的厚度可以为80μm-200μm。所述的花状ZnO/石墨烯单球微纳结构温度传感器，其特征在于，所述的步骤S5温度传感头(3)的集成中，恒温电热鼓风干燥箱温度设置为45℃，加热时间为5小时。本专利技术的有益效果具体如下：本专利技术结合敏感材料制备方法，将新型的复合敏感材料同特殊的、拥有较强干涉效果的光纤结构相融合，并借助花状ZnO/石墨烯材料的温敏性能，制备出高灵敏度、强稳定性、低成本的光纤温度传感器。对于更好地解决一些恶劣环境下温度检测问题具有重要意义。附图说明图1为本专利技术花状ZnO/石墨烯单球微纳结构温度传感器的结构示意图；图2为温度传感头的结构图；图3为本专利技术花状ZnO/石墨烯单球微纳结构温度传感器在不同温度下干涉谱的漂移图；图4为温度实验中干涉谱的数据拟合图；图5为温度传感头的制作方法流程框图；图6为本专利技术制备的花状ZnO/石墨烯的SEM图。具体实施方式下面结合说明书附图进一步说明本专利技术的具体实施方式。如图1，本实施方式所述的花状ZnO/石墨烯单球微纳结构温度传感器，其特征在于，它包括ASE光源(1)、光纤环形器(2)、温度传感头(3)、光谱仪(4)。如图2，所述的温度传感头(3)内包含有一号单模光纤(3-1)、多模单球微纳光纤(3-2)、花状ZnO/石墨烯敏感材料(3-3)、二号单模光纤(3-4)、金属铝膜(3-5)。所述的温度传感头(3)以多模单球微纳光纤(3-2)为主要温敏区，多本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.花状ZnO/石墨烯单球微纳结构温度传感器，其特征在于，它包括ASE光源(1)、光纤环形器(2)、温度传感头(3)、光谱仪(4)；/n所述的温度传感头(3)内包含有一号单模光纤(3-1)、多模单球微纳光纤(3-2)、花状ZnO/石墨烯敏感材料(3-3)、二号单模光纤(3-4)、金属铝膜(3-5)；/n所述的温度传感头(3)以多模单球微纳光纤(3-2)为主要温敏区，多模单球微纳光纤(3-2)包覆温敏性能较好的花状ZnO/石墨烯敏感材料(3-3)，并与一号单模光纤(3-1)和二号单模光纤(3-4)以光纤熔融连接的方式连接；/n所述的温度传感头(3)中，二号单模光纤(3-4)一端与多模单球微纳光纤(3-2)熔融连接，另一端包覆金属铝膜(3-5)；/n所述的ASE光源(1)通过单模光纤与光纤环形器(2)连接，光纤环形器(2)通过单模光纤与温度传感头(3)相连，光纤环形器(2)通过单模光纤与光谱仪(4)连接，且单模光纤与各器件之间采用光纤熔融连接的方式连接。/n

【技术特征摘要】
1.花状ZnO/石墨烯单球微纳结构温度传感器，其特征在于，它包括ASE光源(1)、光纤环形器(2)、温度传感头(3)、光谱仪(4)；
所述的温度传感头(3)内包含有一号单模光纤(3-1)、多模单球微纳光纤(3-2)、花状ZnO/石墨烯敏感材料(3-3)、二号单模光纤(3-4)、金属铝膜(3-5)；
所述的温度传感头(3)以多模单球微纳光纤(3-2)为主要温敏区，多模单球微纳光纤(3-2)包覆温敏性能较好的花状ZnO/石墨烯敏感材料(3-3)，并与一号单模光纤(3-1)和二号单模光纤(3-4)以光纤熔融连接的方式连接；
所述的温度传感头(3)中，二号单模光纤(3-4)一端与多模单球微纳光纤(3-2)熔融连接，另一端包覆金属铝膜(3-5)；
所述的ASE光源(1)通过单模光纤与光纤环形器(2)连接，光纤环形器(2)通过单模光纤与温度传感头(3)相连，光纤环形器(2)通过单模光纤与光谱仪(4)连接，且单模光纤与各器件之间采用光纤熔融连接的方式连接。


2.根据权利要求1所述的花状ZnO/石墨烯单球微纳结构温度传感器，其特征在于，所述的ASE光源(1)的输出中心波长为1550nm，频带宽度为60nm。


3.根据权利要求1所述的花状ZnO/石墨烯单球微纳结构温度传感器，其特征在于，所述的温度传感头(3)中花状ZnO/石墨烯敏感材料(3-3)为温度复合敏感材料。


4.根据权利要求1所述的花状ZnO/石墨烯单球微纳结构温度传感器，其特征在于，所述的温度传感头(3)中多模单球微纳光纤(3-2)与花状ZnO/石墨烯敏感材料(3-3)结合采用的方法为滴涂法。


5.根据权利要求1所述的花状ZnO/石墨烯单球微纳结构温度传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：多模单球微纳光纤(3-2)的制备，取长度为8cm、纤芯直径为62.5μm的多模光纤经氢氧焰熔融拉锥处理，制得多模单球微纳光纤(3-2)；
S2：花状ZnO/石墨烯敏感材料(3-3)的制备，将15.0mg石墨烯粉末置于40mL去离子水中超声分散2小时，将分散后的石墨烯溶液与3.5g硝酸锌、4.8g柠檬酸、100mL去离子水混合，在75℃温度下搅拌1.5h，放入90℃的恒温干燥...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈涛，李冰，冯月，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23