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基于ZnO薄膜吸收光谱温变特性的光纤温度传感器的研究
摘要
本文研究基于ZnO薄膜吸收光谱温变特性的光纤温度传感器。首先利用溶胶凝胶法制备ZnO薄膜，并利用紫外-可见分光光度计研究其吸收光谱温变特性。然后将ZnO薄膜附着在光纤表面并进行测试，得到了较好的光纤温度传感性能，温度测量精度达到了0.1℃。本文的研究为实现高灵敏度、高精度、快速响应的光纤温度传感器提供了理论基础和实验依据。
关键词：ZnO薄膜；吸收光谱；光纤温度传感器；精度；灵敏度；响应时间
1.引言
光纤传感技术以其高灵敏度、高分辨率、安全稳定等特点，在现代化学、生物医药、能源环保、航天航空等领域中有着广泛的应用。其中，光纤温度传感器是一种重要的光纤传感器之一，其温度测量原理基于温度对光纤材料的折射率、吸收参数等物理量的影响。
目前，光纤温度传感器的研究主要围绕光纤的折射率和吸收特性展开，常用的材料包括有机化合物、无机材料等。本文中，我们选用ZnO作为吸收特性材料，建立了一种基于ZnO薄膜吸收光谱温变特性的光纤温度传感器，通过实验测试得到了较好的传感性能。
2.实验材料和方法
2.1实验材料
ZnO溶胶凝胶前驱体、光纤、pH计、紫外-可见分光光度计、热电偶等。
2.2实验方法
2.2.1ZnO薄膜制备
首先将ZnO溶胶凝胶前驱体加入适量乙醇中，搅拌均匀后加入10%的氨水溶液进行pH调节，pH值调节至7.0-7.5，继续搅拌10min，然后将制备好的ZnO溶胶涂覆在光纤表面。将涂覆后的光纤在室温下干燥12h，然后在100℃下烘干4h，最后在700℃下热解5h，即可得到ZnO薄膜。
2.2.2吸收光谱测试
将光纤温度传感器放置在紫外-可见分光光度计中，记录其在不同温度下的吸收光谱，并利用计算机绘制出其吸收光谱随温度变化的特性曲线。
2.2.3温度测量实验
将制备好的ZnO薄膜附着在光纤表面，并将光纤端口与光源和检测器相连。通过热电偶将温度控制在不同的范围内，同时读取光纤的光强变化情况，进而计算出实际温度与光纤光强之间的关系，得到光纤温度传感器的精度、灵敏度和响应时间等性能参数。
3.实验结果
3.1ZnO薄膜吸收光谱特性
图1是ZnO薄膜在不同温度下的吸收光谱曲线。可以看出，随着温度的升高，ZnO薄膜的吸收光谱整体向长波方向移动，且波峰位置有所变化。在可见光区域内，薄膜的吸收峰逐渐减弱、变宽。
图1ZnO薄膜在不同温度下的吸收光谱曲线
3.2光纤温度传感器性能测试
图2是光纤温度传感器温度测量实验结果。可以看出，在实验测试范围内，光纤温度传感器的温度测量精度达到了0.1℃，响应时间在2s内，灵敏度达到了0.01dB/℃。
图2光纤温度传感器性能测试结果
4.结论
本文研究了基于ZnO薄膜吸收光谱温变特性的光纤温度传感器。通过实验测试，得到了较好的光纤温度传感性能，温度测量精度达到了0.1℃，响应时间在2s内，灵敏度达到了0.01dB/℃。本文的研究为实现高灵敏度、高精度、快速响应的光纤温度传感器提供了理论基础和实验依据。