PbSe量子点液芯光纤温度传感器的制作及温度检测方法

技术领域

本发明涉及温度检测和光纤温度传感器领域，涉及一种胶体PbSe量子点液芯光纤温度 传感器件的结构设计、制作和多点温度检测的方法。

背景技术

随着光纤测温技术的兴起，光纤温度传感器得到广泛的研究及应用。光纤具有不带电、 体积小、质量轻、易弯曲、抗辐射性能好等优点。同时其作为传输材料，具有工作频率宽、 动态范围大等优势。光纤温度传感器与传统的温度传感器相比，具有诸多优点：光波不产生 电磁干扰、易被各种探测器件接收、可进行光电或电光转换、易与高度发展的现代电子装置 相匹配等。其被广泛的应用于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下。

光纤温度传感器主要分为分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、光纤荧光温度 传感器、干涉型光纤温度传感器等，而其中光纤荧光温度传感器是目前研究较为活跃的新型 光纤温度传感器。目前，光纤荧光温度传感器主要使用稀土材料或有机材料作为荧光材料， 不仅成本高、使用寿命受环境因素影响，同时其波长范围无法满足一些探测器接收范围。胶 体半导体量子点材料是一种新型的荧光材料，与传统光纤荧光温度传感器使用的荧光材料相 比，具有使用寿命长、成本低、荧光量子产率高、尺寸可调的发射光谱等独有优势，可作为 新型的光转换材料。胶体硒化铅(PbSe)量子点在近红外区域具有很强的量子限域和高量子 产率(>85％)，而且其荧光性质与温度直接相关。因此，胶体PbSe量子点作为光纤温度传 感器的荧光转换材料显示出良好的应用前景。

基于上述背景，研制新型的传感方法，设计具有成本低、寿命长、光量子产率高、发射 光谱域宽等优点的胶体PbSe量子点光纤荧光温度传感器件，有助于推动温度检测技术的进 一步发展。经查找，制作基于胶体PbSe量子点液芯光纤敏感元件的胶体PbSe量子点液芯光 纤温度传感器，并实现温度检测的方法在国内外未见有相关报道。

发明内容

为了克服光纤荧光温度传感器存在的荧光材料寿命受环境因素影响、成本昂贵、低量子 产率、波长域窄等缺点，本发明提供一种PbSe量子点液芯光纤温度传感器的制作及温度检 测方法，该方法采用胶体PbSe量子点作为光纤中的温度敏感荧光材料，利用其尺寸、温度 依赖的光致发光性质和特定尺寸的胶体PbSe量子点发射光谱强度与温度的一一对应关系， 采用一系列工艺方法，制作基于胶体PbSe量子点液芯光纤温度敏感元件，并构建胶体PbSe 量子点液芯光纤温度传感器。在胶体PbSe量子点液芯光纤温度传感器中，将温度依赖的多 点液芯光纤敏感元件输出的光信号，通过光电器件转换为电信号，经由放大器放大、A/D转 换器、单片机采集和数据处理后，传输给显示器显示读数，实现温度的多点检测。本发明所 构建的胶体PbSe量子点液芯光纤温度传感器的温度检测范围是0℃～90℃，分辨率为0.1℃。

本发明采用如下技术方案实现的，结合附图说明如下：

1、PbSe量子点液芯光纤温度传感器的制作方法，其特征在于，使用胶体PbSe量子点作 为温度敏感荧光材料，制作一种多个温度敏感元件串联组合的胶体PbSe量子点液芯光纤温 度敏感元件，并基于此种敏感元件设计一种适用于多点温度检测的光纤温度传感器，PbSe 量子点液芯光纤温度传感器的制作方法如下：

第一步、选定多种尺寸的胶体PbSe量子点：选取光电探测器，要求胶体PbSe量子点液 芯光纤敏感元件输出的光信号，即胶体PbSe量子点的发射光谱中心波长，落在光电探测器 响应光谱的中心区域；选定胶体PbSe量子点的吸收光谱第一激子吸收峰中心波长后，根据 公式1，$D\left(\mathrm{nm}\right)=\frac{\lambda \left(\mathrm{nm}\right)-143.75}{281.25}$

计算出相应的胶体PbSe量子点尺寸，公式1中λ为胶体PbSe量子点的吸收光谱第一激 子吸收峰中心波长，D为胶体PbSe量子点的尺寸；通过尺寸调谐，胶体PbSe量子点发射光 谱中心波长范围到900～2200nm；

第二步、制备胶体PbSe量子点溶液：根据第一步所得到的胶体PbSe量子点的尺寸，制 备相应尺寸的胶体PbSe量子点溶液，并将其分别于三氯乙烯溶液进行混合，生成胶体PbSe 量子点与三氯乙烯混合溶液，即胶体PbSe量子点温度敏感荧光材料溶液，其浓度根据实际 要求确定；

第三步、将胶体PbSe量子点温度敏感荧光材料溶液和三氯乙烯溶液分别注入型号相同 的空心光纤中，并进行封装：选取多段光纤型号相同但长度不同的空心光纤，光纤长度根据 实际需要确定；将制备的胶体PbSe量子点与三氯乙烯混合溶液以及三氯乙烯溶液通过液压 注入法分别注入到每一段光纤中，光纤中注入的试剂类型根据实际要求决定；将每段光纤的 端口通过无影胶，即Ultraviolet Rays glue进行封装，无影胶的厚度为50μm～100μm；

第四步、完成胶体PbSe量子点液芯光纤敏感元件的制作：将每两段光纤之间使用耦合 连接器进行连接，以注入胶体PbSe量子点温度敏感荧光材料的光纤、注入三氯乙烯溶液的 光纤的方式进行连接，让注入尺寸小的胶体PbSe量子点温度敏感荧光材料的光纤段比注入 尺寸较大的胶体PbSe量子点温度敏感荧光材料的光纤段更靠近光学选品系统(4)，至此完 成了多点温度检测液芯光纤敏感元件的制作；

第五步、构建胶体PbSe量子点液芯光纤温度传感器：构建由激光器(1)、准直耦合透 镜(2)、多点检测的胶体PbSe量子点液芯光纤敏感元件(3)、光学选品系统(4)、信号转 换处理系统(5)、单片机控制采集系统(6)、显示器(7)组成的胶体PbSe量子点液芯光纤 温度传感器；其中光学选品系统(4)包括与胶体PbSe量子点发射光谱的中心波长相同的近 红外光滤光片，其由多组不同滤光片组成，可通过电机带动滤光片的位置，以实现对胶体PbSe 量子点不同发射光谱的峰值波长选品的目的；信号转换处理系统(5)包括接收胶体PbSe量 子点发射光谱波长的探测器、放大器和A/D转换器；单片机控制系统(6)包括电机，它通 过单片机对电机发出指令，从而控制滤光片的转换。

2、所述的多个胶体PbSe量子点液芯光纤温度敏感元件分别使用多种尺寸胶体PbSe量 子点作为温度敏感荧光材料，多种尺寸胶体PbSe量子点发射光谱的中心波长需要保持一定 间隔，避免发生光谱信号的重叠，影响温度检测的精度。

3、所选取的无影胶能够透过近红外光和可见光，并起到密封的作用；所选取的三氯乙 烯溶液起到全反射的作用，并且不吸收可见光和近红外光。

4、通过注入胶体PbSe量子点的浓度调整胶体PbSe量子点液芯光纤敏感元件中PbSe量 子点的发射强度，从而控制系统的输出电压。

5、一种PbSe量子点液芯光纤温度传感器的温度检测方法，其特征在于，提出一种基于 胶体PbSe液芯光纤温度传感器的多点温度检测方法，具体检测方法如下：

第一步、制作胶体PbSe液芯光纤温度传感器；

第二步、标定胶体PbSe量子点液芯光纤温度传感器：首先选取一段注入有胶体PbSe量 子点的光纤段进行标定，对其进行加热，系统会输出一个电压值，同时使用铂电阻温度传感 器测量胶体PbSe量子点的光纤段加热后的温度，完成一组数据的采集；使用此方法，多次 采集数据，选取其中一组数据作为标准值，然后使用数值拟合法，得出公式2，

T(℃)＝aU(V)+b

其中T为被测物体温度，U为检测系统输出的电压，a、b为常数；通过测量的温度和电 压值，计算出公式2中的a、b，依据a、b的值及公式2，进行胶体PbSe量子点液芯光纤敏 感元件中该段光纤的标定；然后对其余注入其他尺寸胶体PbSe量子点的光纤段重复上述标 定过程，分别进行数值拟合，得出多组a、b的值，带入公式2，实现胶体PbSe量子点液芯 光纤温度传感器的标定；

第三步、应用胶体PbSe量子点液芯光纤温度传感器进行多点温度检测：胶体PbSe量子 点液芯光纤敏感元件(3)中含有多个填充有胶体PbSe量子点与三氯乙烯混合溶液的部分， 将这些部分放置于不同的被测物区域上，被测物区域从左到右依次编号为I，II…，其中能够 测定温度的物体数量由光纤中胶体PbSe量子点与三氯乙烯混合溶液的数量决定；测定区域I 的温度，打开激光器(1)，射出一束激光，激光通过准直、耦合透镜(2)进入到多点检测 的胶体PbSe量子点液芯光纤敏感元件(3)中，多点检测的胶体PbSe量子点液芯光纤敏感 元件(3)被激发所辐射出的红外光经由光学选品系统(4)、信号转换处理系统(5)、单片 机控制系统(6)后，在显示器(7)上输出读数；此时，光学选品系统(4)中的滤光片过 滤掉与液芯光纤敏感元件中胶体PbSe量子点发射光谱的中心波长不一致的波长；最后，应 用公式2计算得出区域I的实时温度；当测定区域II的温度时，单片机控制采集系统(6) 对电机发出指令，电机带动滤光片旋转，旋转成发射光谱的中心波长与检测区域II光纤段的 胶体PbSe量子点发射光谱的中心波长一致的滤光片，再使用上述方法测定区域II的温度， 依照上述方法实现多区域温度的检测。

6、所述的胶体PbSe量子点在光纤中依然具有温度尺寸依赖性，当选取的胶体PbSe量 子点尺寸一定，其发射光谱的强度与温度有一一对应的关系，且两者成线性关系，因此光信 号被探测器转换为电信号后，温度与系统输出电压依然成线性关系。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明所述的PbSe量子点液芯光纤温度传感器的制作及温度检测方法，所采用的荧 光材料成本低、使用寿命长、高量子产率；

2、本发明所述的PbSe量子点液芯光纤温度传感器的制作及温度检测方法，所设计的系 统可实现多点温度的检测；

3、本发明所述的PbSe量子点液芯光纤温度传感器的制作及温度检测方法，所设计的系 统制作成本低、结构简单、稳定性好。

附图说明

图1是本发明的液芯光纤敏感元件制作方法流程图；

图2是本发明的两点检测的胶体PbSe量子点液芯光纤敏感元件示意图；

图3是本发明的3.41nm胶体PbSe量子点溶液吸收光谱与发射光谱曲线图(在室温下测 得)及其电子显微镜图；

图4是本发明的4.06nm胶体PbSe量子点溶液吸收光谱与发射光谱曲线图(在室温下测 得)及其电子显微镜图；

图5是本发明的温度传感器示意图；

图6是本发明的温度检测方法流程图；

图7是本发明的3.41nm胶体PbSe量子点液芯光纤敏感元件的(滤光片选品后)发射强 度与温度关系图(图中右上角表示图中的温度曲线由下向上依次排列)；

图8是本发明的4.06nm胶体PbSe量子点液芯光纤敏感元件的(滤光片选品后)发射强 度与温度关系图(图中右上角表示图中的温度曲线由下向上依次排列)；

图9是本发明的温度传感器的电压、被测物体温度与3.41nm胶体PbSe量子点液芯光纤 敏感元件的(滤光片选品后)拟合直线图；

图10本发明的温度传感器的电压、被测物体温度与4.06nm胶体PbSe量子点液芯光纤 (滤光片选品后)拟合直线图；

图11本发明的两点式温度传感器检测流程图。

图中：1.激光器；2.准直耦合透镜；3.胶体PbSe量子点液芯光纤敏感元件；4.光学选品 系统；5.信号转换处理系统；6.单片机控制采集系统；7.显示器；a.充有三滤乙烯溶液的光纤； b.光纤耦合连接器；c.充有特定尺寸1胶体PbSe量子温度敏感荧光材料溶液的光纤；d.充有 特定尺寸2胶体PbSe量子温度敏感荧光材料溶液的光纤。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式，但本发明的保护范围不 限于下述的实施例。

本发明实施例对两点式胶体PbSe量子点液芯光纤温度传感器及其两点温度检测方法进 行了说明。

一、结合图1和图2，本发明所述的胶体PbSe量子点两点温度的液芯光纤敏感元件的制 作方法以及两点式胶体PbSe量子点液芯光纤温度传感器的制作方法如下：

第一步、选定2种胶体PbSe量子点的尺寸。本发明选取In_0.53Ga_0.47As/InP PIN光电二极 管作为探测器，其可接收波长为1000nm～1650nm。由于本实施例对两点进行检测，因此选取 发射中心波长为1193nm的胶体PbSe量子点和1387nm的胶体PbSe量子点，结合图3和图4， 其收光谱第一激子吸收峰中心波长分别为λ＝1104nm和λ＝1313nm。根据公式1分别计算得出 胶体PbSe量子点的尺寸D为3.41nm和4.06nm。

第二步、制备尺寸为3.41nm和4.06nm的胶体PbSe量子点溶液，其胶体PbSe量子点如 图3和图4所示。将0.892g的PbO(4.000mmol)、2.600g的OA(8.000mmol)和12.848g 的ODE装入三口瓶，在氮气保护的环境下把混合溶液加热到170℃，直到PbO全部溶解， 溶液变至无色，之后配置质量比为10％的Se-TBP溶液，取出6.4g迅速注入到快速搅拌的 反应溶液中，温度迅速下降并保持在140℃，在这个温度下让胶体PbSe量子点生长4分钟， 然后迅速注入过量的室温甲苯溶液，将反应扑灭，最后使用氯仿-甲醇萃取，并用丙酮沉积， 将胶体PbSe量子点纯化，制成胶体PbSe量子点溶液。选取浓度为7.2×10¹⁵QDs/cm3(尺寸 为3.41nm)和7.8×10¹⁵QDs/cm3(尺寸为4.06nm)胶体PbSe量子点溶液分别与三氯乙烯进 行混合，即胶体PbSe量子点温度敏感荧光材料溶液。

第三步、将胶体PbSe量子点温度敏感荧光材料溶液和三氯乙烯溶液分别注入到型号相 同的空心光纤中，并进行封装。选取五段内径和外径分别为100μm、200μm的光纤，其长度 分别60cm、60cm、20cm、40cm、20cm。使用液压注入的方法将混合溶液注入到两根20cm 的光纤中，然后使用同样的方法将三氯乙烯溶液充入到其余的光纤中，所有光纤端口使用无 影胶进行封装，无影胶的封装厚度为51μm。

第四步、完成胶体PbSe量子点液芯光纤敏感元件的制作：通过耦合连接器以60cm光纤、 20cm光纤(尺寸为4.06nm的胶体PbSe量子点)、40cm光纤、20cm光纤(尺寸为3.41nm 的胶体PbSe量子点)、60cm光纤的方式进行连接，完成两点温度检测的液芯光纤敏感元件 的制作。

第五步、结合图5，构建两点式胶体PbSe量子点液芯光纤温度传感器。两点式胶体PbSe 量子点液芯光纤温度传感器的结构包括：波长为532nm激光器、准直透镜、耦合透镜、两点 式胶体PbSe量子点液芯光纤敏感元件、中心波长为1193nm(范围为1095～1291nm)和1387nm (范围为1287nm～1487nm)可旋转式滤光片、In_0.53Ga_0.47As/InP PIN光电二极管、放大器、 A/D转换器、单片机、电机、显示器。

二、结合图5和图6，本发明构建了基于两点式胶体PbSe量子点液芯光纤温度传感器， 其温度检测方法如下：

第一步、构建两点式胶体PbSe量子点液芯光纤温度传感器。

第二步、标定两点式胶体PbSe量子点液芯光纤温度传感器。结合图7和图8，由于3.41nm 和4.06nm胶体PbSe量子点具有温度尺寸依赖性(已经被注入光纤后)，其发射光谱的强度 与温度呈线性关系。两点式胶体PbSe量子点液芯光纤温度传感器的标定方法如下：对注入 有胶体PbSe量子点的光纤两段区域加热，分别得到两段的输出电压，使用铂电阻温度传感 器(1/6B级)测量胶体PbSe量子点的光纤段加热后的温度，完成一组数据的测量。分别采 集7组数据，使用数值拟合法，得到公式3、公式4，所采集的数据如表1、表2所示，两点 式胶体PbSe量子点液芯光纤温度传感器的两段胶体PbSe量子点数值拟合曲线如图9和图10 所示。其中公式3中U的取值范围为1.21～2.27V，公式4中U的取值范围为1.20～2.30V。 两点式胶体PbSe量子点液芯光纤温度传感器标定完成。

T(℃)＝-85.0U(V)+193.13  公式3

T(℃)＝-90.9U(V)+208.17  公式4

表1 标定两点式胶体PbSe量子点液芯光纤温度传感器的数据表(尺寸为3.41nm的胶体PbSe 量子点)

表2 标定两点式胶体PbSe量子点液芯光纤温度传感器的数据表(尺寸为4.06nm的胶体PbSe 量子点)

第三步、结合图11，应用两点式胶体PbSe量子点液芯光纤温度传感器进行两点的温度 检测。同时对光纤中充满3.41nm和4.06nm胶体PbSe量子点的位置在空气中加热任意时间。 打开波长为532nm激光器发射激光，激光通过准直耦合透镜进入到两点式胶体PbSe量子点 液芯光纤敏感元件中，使用单片机向电机发送指令，先将中心波长为1193nm滤光片旋转到 接收光信号的位置，过滤后的光信号经由In_0.53Ga_0.47As/InP PIN光电二极管转换为电信号， 经过放大器放大、A/D转换器后，由单片机进行采集和数据处理，传输到显示器中呈现读数， 此温度为3.41nm处加热的温度。再使用单片机向电机发送指令，将中心波长为1387nm滤光 片旋转到接收光信号的位置，过滤后的光信号经由In_0.53Ga_0.47As/InP PIN光电二极管转换为 电信号，经过放大器放大、A/D转换器后，单片机采集和数据处理，传输到显示器中呈现读 数，此温度为4.06nm处加热的温度。至此实现了两点温度的检测。

三、测试结果

为了验证本发明的两点式(尺寸为3.41nm和4.06nm)胶体PbSe量子点液芯光纤温度传 感器的可行性，同时使用本发明构建的两点式胶体PbSe量子点液芯光纤温度传感器、铂电 阻温度传感器(1/6B级)对2个加热区域进行测量，其中区域I使用光纤中注入有4.06nm 胶体量子点的传感位置进行测量，区域II使用光纤中注入有3.41nm胶体量子点的传感位置 进行测量，并分别与铂电阻温度传感器(1/6B级)对比，测量结果如表3所示。

表3 温度测量结果对比表

根据上述数据得出，两点式(尺寸为3.41nm和4.06nm)胶体PbSe量子点液芯光纤温度 传感器相对于铂电阻温度传感器，偏差小于±0.1℃，证明本发明所述的方法是可行的。