本发明提出了一种基于蓝宝石晶片‑氮化硼薄膜的光纤F‑P高温传感器，蓝宝石光纤插在陶瓷插芯中，陶瓷插芯的端面粘贴有蓝宝石晶片‑氮化硼薄膜，贴有蓝宝石晶片‑氮化硼薄膜的陶瓷插芯插在一个陶瓷套管中，然后在陶瓷套管的另一端插入另一个没有贴蓝宝石晶片‑氮化硼薄膜的陶瓷插芯，形成“陶瓷插芯‑蓝宝石晶片‑氮化硼薄膜‑陶瓷插芯”结构；蓝宝石光纤与陶瓷插芯之间通过高温陶瓷胶粘连，陶瓷插芯与陶瓷套管之间通过高温陶瓷胶粘连；当外界环境温度变化时，蓝宝石晶片‑氮化硼薄膜的厚度和折射率发生变化，使得F‑P干涉的光程差改变，进而引起干涉光谱信号的漂移，根据干涉光谱的变化情况实现温度的检测。本发明解决现有蓝宝石光纤F‑P高温传感器的灵敏度较低、光纤端头和蓝宝石晶片易受到高温胶、灰尘等污染的问题，在航空、航天和冶金工业等领域中有着广阔的应用前景。
1.一种基于蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的光纤F-P高温传感器，包括蓝宝石光纤(1)、陶瓷插芯(3)、蓝宝石晶片(4)、氮化硼薄膜(5)、陶瓷套管(6)，其特征在于，所述蓝宝石光纤(1)插在陶瓷插芯(3)中，陶瓷插芯(3)的端面用高温陶瓷胶(2)粘贴有蓝宝石晶片(4)，蓝宝石晶片(4)外表面覆盖氮化硼薄膜(5)，贴有蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的陶瓷插芯(3)插在陶瓷套管(6)中，陶瓷套管(6)的另一端插有没有粘贴蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的陶瓷插芯(3)，形成“陶瓷插芯-蓝宝石晶片-氮化硼薄膜-陶瓷插芯”结构。
2.根据权利要求1所述的基于蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的光纤F-P高温传感器，其特征在于，所述蓝宝石晶片(4)的厚度在75μm～110μm之间。
3.根据权利要求1所述的基于蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的光纤F-P高温传感器，其特征在于，所述的氮化硼薄膜(5)的厚度为1nm。
4.根据权利要求1所述的基于蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的光纤F-P高温传感器，其特征在于，所述蓝宝石光纤(1)芯径在100μm～300μm之间。
5.根据权利要求1所述的基于蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的光纤F-P高温传感器，其特征在于，所述的蓝宝石光纤(1)与陶瓷插芯(3)之间通过高温陶瓷胶(2)粘连，陶瓷插芯(3)与陶瓷套管(6)之间通过高温陶瓷胶(2)粘连。
6.根据权利要求1所述的基于蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的光纤F-P高温传感器，其特征在于，所述陶瓷插芯(3)和陶瓷套管(6)为氧化锆或氧化铝材料。
7.一种如权利要求1至6之一所述的基于蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的光纤F-P高温传感器的制备方法，其特征在于，所述的氮化硼薄膜通过湿法转移覆盖至蓝宝石晶片表面，包括以下步骤：取一片旋涂了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的铜基底单层氮化硼薄膜，裁剪一片直径1mm～5mm大小的圆形薄膜，取5ml～20ml，1～2mol/L的三氯化铁溶液于培养皿中，将裁剪好的铜基底氮化硼薄膜放于三氯化铁溶液的上表面，当铜基底刻蚀干净后，将刻蚀完成后的PMMA-氮化硼薄膜转移至去离子水中进行清洗，清洗完成后，用粘贴有蓝宝石晶片的陶瓷插芯托起PMMA-氮化硼薄膜，使得PMMA-氮化硼薄膜覆盖在蓝宝石晶片表面，然后放于温箱中，80～120℃度下烘干10～30分钟，待自然冷却后，放于丙酮里60～120分钟去除PMMA，然后取出放于温箱中，80～120℃度下烘干10～30分钟，待自然冷却后，最终形成陶瓷插芯-蓝宝石晶片-氮化硼薄膜结构。
8.一种采用如权利要求1至6之一所述的基于蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的光纤F-P高温传感器的温度传感装置，包括基于蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的光纤F-P高温传感器(8)、Y型光纤分束器(9)、超连续谱光源(11)、光谱仪(10)；其特征在于，所述超连续谱光源(11)和光谱仪(10)通过Y型光纤分束器(9)与基于蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的光纤F-P高温传感器(8)连接，超连续谱光源(11)发出的光通过Y型光纤分束器(9)进入基于蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的光纤F-P高温传感器(8)，当外界环境温度变化时，利用蓝宝石晶片-氮化硼薄膜所形成的F-P干涉，通过光谱仪(10)测量F-P干涉光谱的波长变化实现温度测量。
9.根据权利要求8所述的温度传感装置，其特征在于，所述Y型光纤分束器(9)通过SMA-SMA法兰和基于蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的光纤F-P高温传感器(8)相连。
10.根据权利要求8所述的温度传感装置，其特征在于，所述Y型光纤分束器(9)的光纤直径为300μm。
基于蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的光纤F-P高温传感器及制备方
法和温度传感装置
技术领域
[0001] 本发明涉及光纤传感器技术领域，具体涉一种基于蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的光纤F-P高温传感器及其制备方法和采用基于蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的光纤F-P高温传感器的温度传感装置。
背景技术
[0002] 高温检测技术在航空、航天和冶金工业等领域中具有广泛的应用需求。传统的高温检测手段主要为Pt、Rh等贵金属制造的热电偶传感器，在高温状态下抗氧化能力差，易受电磁干扰，无法用于高频加热炉等强电磁环境。基于蓝宝石光纤传感器充分利用蓝宝石材料高熔点(2040℃)、高硬度、耐化学腐蚀和宽透射光谱范围的特性，在用作高温传感器时，具有可测温度高、长期稳定性好、不受电磁干扰、电绝缘和耐恶劣环境等优点。
[0003] 目前，基于蓝宝石光纤的高温传感器主要分为黑体辐射型、光纤光栅型和F-P型。黑体辐射型蓝宝石光纤高温传感器在高温下具有较高的测温灵敏度，低温区域不敏感，因此测温主要应用于600℃以上的高温区域；此外，其辐射是传输光纤以及目标黑腔发射出辐射的总和，易受传输光纤本身的影响。蓝宝石光纤光栅是利用飞秒激光照射蓝宝石光纤使其折射率发生周期性变化而形成的传感器，可实现温度多点测量，但是蓝宝石光纤光栅存在制造困难、测量准确度不高的缺点。蓝宝石光纤F-P传感器是利用蓝宝石光纤端面外的F-P干涉来实现测温的一种传感器，测温范围广，测量准确度高。然而，目前基于蓝宝石晶片的光纤F-P高温传感器存在灵敏度较低，光纤端头和蓝宝石晶片易受到高温胶、灰尘等污染的问题，对测温范围和准确性造成严重影响。
发明内容
[0004] 为了解决现有蓝宝石光纤F-P高温传感器的灵敏度较低、光纤端头和蓝宝石晶片易受到高温胶、灰尘等污染的问题，本发明提出了一种基于蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的光纤F-P高温传感器及其制备方法，主要采用蓝宝石晶片作为F-P干涉仪，用蓝宝石光纤来接收、传输干涉信号，并在蓝宝石晶片表面覆盖一层氮化硼薄膜，提高温度检测灵敏度，并采用“陶瓷插芯-蓝宝石晶片-氮化硼薄膜-陶瓷插芯-陶瓷套管”结构，有效地解决了蓝宝石光纤端头和蓝宝石晶片易受到污染的问题，提高传感器的温度检测灵敏度和准确度。本发明还提供采用基于蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的光纤F-P高温传感器的温度传感装置。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
[0006] 一种基于蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的光纤F-P高温传感器，是由蓝宝石光纤插入陶瓷插芯，陶瓷插芯端面粘贴一个蓝宝石晶片，并在蓝宝石晶片外表面覆盖一层氮化硼薄膜，利用蓝宝石晶片形成的F-P干涉来实现温度的测量，为了提高传感器的机械性能，在陶瓷插芯外面套一个陶瓷套管，将另一个没有贴蓝宝石晶片的陶瓷插芯插入陶瓷套管，形成“陶瓷插芯-蓝宝石晶片-氮化硼薄膜-陶瓷插芯-陶瓷套管”结构，并在陶瓷套管外表面涂覆高温陶瓷胶，固定陶瓷插芯和陶瓷套管。
[0007] 包括蓝宝石光纤1、陶瓷插芯3、蓝宝石晶片4、氮化硼薄膜5、陶瓷套管6，所述蓝宝石光纤1插在陶瓷插芯3中，陶瓷插芯3的端面用高温陶瓷胶2粘贴有蓝宝石晶片4，蓝宝石晶片4外表面覆盖氮化硼薄膜5，贴有蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的陶瓷插芯3插在陶瓷套管6中，陶瓷套管6的另一端插有没有粘贴蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的陶瓷插芯3，形成“陶瓷插芯-蓝宝石晶片-氮化硼薄膜-陶瓷插芯”结构。
[0008] 进一步地，所述的蓝宝石光纤1的芯径在100μm～300μm之间，优选为250～300μm。
[0009] 进一步地，所述的蓝宝石晶片4的厚度在75μm～110μm之间，优选为100μm。
[0010] 进一步地，所述的氮化硼薄膜的厚度为1nm。
[0011] 进一步地，所述的蓝宝石光纤1与陶瓷插芯3之间通过高温陶瓷胶2粘连，陶瓷插芯3与陶瓷套管6之间通过高温陶瓷胶2粘连。
[0012] 进一步地，所述陶瓷插芯3和陶瓷套管6为氧化锆或氧化铝材料。
[0013] 上述基于蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的光纤F-P高温传感器的制备方法，所述的氮化硼薄膜通过湿法转移覆盖至蓝宝石晶片表面，利用氮化硼薄膜提高温度检测灵敏度；包括以下步骤：取一片旋涂了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的铜基底单层氮化硼薄膜，裁剪一片直径1mm～5mm大小的圆形薄膜，取5ml～20ml，1～2mol/L的三氯化铁溶液于培养皿中，将裁剪好的铜基底氮化硼薄膜放于三氯化铁溶液的上表面，当铜基底刻蚀干净后，将刻蚀完成后的PMMA-氮化硼薄膜转移至去离子水中进行清洗，清洗完成后，用粘贴有蓝宝石晶片的陶瓷插芯托起PMMA-氮化硼薄膜，使得PMMA-氮化硼薄膜覆盖在蓝宝石晶片表面，然后放于温箱中，80～120℃度下烘干10～30分钟，待自然冷却后，放于丙酮里60～120分钟去除PMMA，然后取出放于温箱中，80～120℃度下烘干10～30分钟，待自然冷却后，最终形成陶瓷插芯-蓝宝石晶片-氮化硼薄膜结构。
[0014] 采用上述基于蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的光纤F-P高温传感器的温度传感装置，其特征在于，包括基于蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的光纤F-P高温传感器、Y型光纤分束器9、超连续谱光源11、光谱仪10；所述超连续谱光源11和光谱仪10通过Y型光纤分束器9与基于蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的光纤F-P高温传感器8连接，超连续谱光源11发出的光通过Y型光纤分束器9进入基于蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的光纤F-P高温传感器8，当外界环境温度变化时，利用蓝宝石晶片-氮化硼薄膜所形成的F-P干涉，通过光谱仪10测量F-P干涉光谱的波长变化实现温度测量。
[0015] 进一步地，所述Y型光纤分束器9通过SMA-SMA法兰和基于蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的光纤F-P高温传感器8相连。
[0016] 进一步地，所述的Y型光纤分束器9的光纤直径为300μm。
[0017] 本发明的原理如下：
[0018] 本发明主要利用蓝宝石光纤端面外的蓝宝石晶片-氮化硼薄膜所形成的F-P干涉来实现温度检测。光源发出的光经过Y型光纤分束器和蓝宝石光纤传输至蓝宝石晶片-氮化硼薄膜前后两个反射面时，得到两束反射光，这两束光发生F-P干涉，当外界环境温度变化时，由于热光效应和热膨胀效应，蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的厚度和折射率都发生变化，使得F-P干涉的光程差改变，进而引起F-P干涉光谱的漂移，根据干涉光谱的变化情况实现温度的检测，另外，蓝宝石晶片上的氮化硼薄膜由于热光效应使干涉光谱产生更大的波长漂移，有利于提高温度检测灵敏度。
[0019] 本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0020] 本发明的基于蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的光纤F-P高温传感器，通过耐高温陶瓷插芯和陶瓷套管的结构设计，能够对蓝宝石光纤和蓝宝石晶片-氮化硼薄膜进行紧密固定，使蓝宝石光纤端面紧密贴合蓝宝石晶片-氮化硼薄膜，提高传感器结构的牢固性，有效防止了高温陶瓷胶渗入蓝宝光纤的端头。氮化硼薄膜由于热光效应作用使F-P干涉光谱发生相应的移动，提高传感器的温度检测灵敏度。通过Y型光纤分束器将基于蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的光纤F-P高温传感器和光源、光谱仪相连，避免了传统多模光纤和蓝宝石直接熔接而引起的损耗及反射背景光，提高F-P干涉光谱的质量。
附图说明
[0021] 图1是本发明实施例的基于蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的光纤F-P高温传感器结构示意图。
[0022] 图2是本发明实施例的采用基于蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的光纤F-P高温传感器的温度传感装置示意图。
[0023] 附图标记列示如下：1-蓝宝石光纤，2-高温陶瓷胶，3-陶瓷插芯，4-蓝宝石晶片，5-氮化硼薄膜，6-陶瓷套管，7-高温炉，8-蓝宝石光纤高温传感器，9-Y型光纤分束器，10-光谱仪，11-超连续谱光源。
具体实施方式
[0024] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
[0025] 如图1所示，是本发明实施例的基于蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的光纤F-P高温传感器结构示意图；该传感器的结构包括蓝宝石光纤1、高温陶瓷胶2、陶瓷插芯3、蓝宝石晶片4、氮化硼薄膜5、陶瓷套管6。其中，蓝宝石晶片4通过高温陶瓷胶2紧贴在陶瓷插芯3的端面，然后利用湿法转移技术将1nm厚的氮化硼薄膜5转移至蓝宝石晶片4外表面。具体方法为：取一片旋涂了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的铜基底单层氮化硼薄膜5，铜基底单层氮化硼薄膜5的最上层是PMMA，中间层氮化硼薄膜5，底层是铜基底。用剪刀裁剪出一片直径5mm大小的圆形铜基底单层氮化硼薄膜5。取10ml，2mol/L的三氯化铁溶液于培养皿中，将裁剪好的铜基底单层氮化硼薄膜5放于盛有三氯化铁溶液的烧杯中，使得铜基底单层氮化硼薄膜5漂浮在三氯化铁溶液表面。2小时后，铜基底被三氯化铁溶液刻蚀干净，然后用载玻片托起PMMA-氮化硼薄膜5，并转移至盛有去离子水的烧杯中，使得PMMA-氮化硼薄膜5漂浮在去离子水表面，清洗残留的三氯化铁溶液。用贴有蓝宝石晶片4的陶瓷插芯3托起PMMA-氮化硼薄膜5，使得PMMA-氮化硼薄膜5覆盖在蓝宝石晶片4外表面，然后将其放于温箱中，90℃下烘干20分钟，待自然冷却后，放于丙酮中1小时去除氮化硼薄膜上层的PMMA，取出后放于温箱中，90℃下烘干20分钟，待自然冷却后，最终形成陶瓷插芯-蓝宝石晶片-氮化硼薄膜结构。
[0026] 将陶瓷插芯-蓝宝石晶片-氮化硼薄膜结构插进陶瓷套管6中，然后在陶瓷套管6的另一端插入另一个没有贴蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的陶瓷插芯3，形成“陶瓷插芯-蓝宝石晶片-氮化硼薄膜-陶瓷插芯”结构。将端面研磨平整的蓝宝石光纤1插入到陶瓷插芯3中，使蓝宝石光纤1的端面接触蓝宝石晶片4。最后利用高温陶瓷胶2对陶瓷套管6和陶瓷插芯3、陶瓷插芯3和蓝宝石光纤1之间进行固定。
[0027] 本发明实施例中，蓝宝石光纤1的芯径在100μm～300μm之间，优选为250～300μm。蓝宝石晶片4的厚度在75μm～110μm之间，优选为100μm。氮化硼薄膜的厚度为1nm。陶瓷插芯
3和陶瓷套管6为氧化锆或氧化铝材料。
[0028] 如图2所示，是本发明实施例的采用基于蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的光纤F-P高温传感器的温度传感装置示意图。由上述基于蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的光纤F-P高温传感器的温度传感装置，包括以Y型光纤分束器9为传输光路，其输入端连接超连续谱光源11，其输出端连接光谱仪10，反射端通过SMA-SMA法兰连接放于高温炉7中的蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的光纤F-P高温传感器8，超连续谱光源11发出的光经过Y型光纤分束器9进入蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的光纤F-P高温传感器8，传输光经过蓝宝石晶片4的两个反射面产生两束反射光，形成F-P干涉。干涉信号通过Y型光纤分束器9传输至光谱仪10。当蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的光纤F-P高温传感器8所在的温度环境变化时，蓝宝石晶片4的厚度、折射率以及氮化硼薄膜5的折射率都会发生变化，两束反射光之间的光程差就会发生变化，从而导致F-P干涉光谱的变化，通过解调干涉信号可以得到F-P光程差的信息，进而反推出蓝宝石晶片-氮化硼薄膜的光纤F-P高温传感器8所处的温度信息，通过光谱仪10测量F-P干涉光谱的波长变化实现温度测量。
[0029] 本实施例中，Y型光纤分束器9的光纤直径为300μm。
[0030] 本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
