一种光纤碳量子点压力探测系统

1.本发明涉及压力探测领域，具体涉及一种光纤碳量子点压力探测系统。


背景技术：

2.压力探测是将压力转化为其他物理量，通过其他物理量的变化实现压力探测。初中所学的弹簧秤是将压力转化为弹簧的伸长量。常见的压力探测是基于半导体材料电压或者电阻变化的。但是，基于半导体材料电压或者电阻变化的压力传感器的灵敏度不够高，不能满足其在高技术领域的需求。
3.光纤传感器以光作为信息载体，以光纤为信息传输介质，对被测物理量进行传感器或探测。光纤传感器具有结构简单、体积小、可靠性高、灵敏度高、应用灵活、响应时间短等优点。
4.现有以光纤为载体的压力传感器主要是在光纤端面或光纤腰部设置传感物质，通过光纤中光信号的变化实现压力探测。例如，发明专利cn111473896a公开了一种基于软性硅膜片的光纤压力传感器，压力传感器包括管体、软性硅膜片与光纤，光纤置于管体内且靠近硅薄膜，薄膜贴附于输入光纤形成的光路中前端。在光纤端部形成谐振腔，通过谐振腔共振波长的变化实现压力探测。在以往的研究中，输出光的波长与输入光的波长相同，输入光容易影响输出光的探测，或者需要用到光谱仪才能将入射光的变化分辨出来，应用不方便。


技术实现要素：

5.为解决以上问题，本发明提供了一种光纤碳量子点压力探测系统，包括光源、光探测器、第一光纤、连接部、第二光纤、复合传感材料、受力部；第一光纤的一端连接光源，第一光纤的另一端连接连接部的一端，连接部的另一端连接第二光纤的一端，第二光纤的另一端连接光探测器，连接部的高度低于第一光纤和第二光纤的高度，复合传感材料置于连接部上，受力部置于复合传感材料上；复合传感材料包括弹性材料和碳量子点，碳量子点掺杂在弹性材料中。
6.更进一步地，第一光纤为紫外光纤。
7.更进一步地，第二光纤为可见光光纤。
8.更进一步地，连接部的材料为石英玻璃。
9.更进一步地，弹性材料为聚二甲基硅氧烷。
10.更进一步地，碳量子点的大于1纳米、小于5纳米。
11.更进一步地，复合传感材料的表面为平面。
12.更进一步地，受力部的底面为平面。
13.更进一步地，连接部为v形，所述连接部的中部低，所述连接部的两侧高。
14.更进一步地，受力部置于所述v形的上侧。
15.本发明的有益效果：本发明提供了一种光纤碳量子点压力探测系统，包括光源、光探测器、第一光纤、连接部、第二光纤、复合传感材料、受力部；第一光纤的一端连接光源，第
一光纤的另一端连接连接部的一端，连接部的另一端连接第二光纤的一端，第二光纤的另一端连接光探测器，连接部的高度低于第一光纤和第二光纤的高度，复合传感材料置于连接部上，受力部置于复合传感材料上；复合传感材料包括弹性材料和碳量子点，碳量子点掺杂在弹性材料中。光源产生紫外光，紫外光穿过第一光纤，从第一光纤的另一端出射并照射碳量子点，碳量子点产生荧光，荧光耦合进入第二光纤，光探测器探测荧光的强度和光谱。在待测压力作用下，受力部压迫复合传感材料，改变了碳量子点之间的距离，从而改变了荧光的强度和中心波长。通过荧光强度或中心波长的影响实现压力探测。由于荧光的波长与激发光不同，光探测器所探测仅为荧光，不受激发光的影响。因此，本发明具有数据处理简单、对探测器要求低等优点，在光纤压力探测领域具有良好的应用前景。
16.以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
17.图1是一种光纤碳量子点压力探测系统的示意图。
18.图2是又一种光纤碳量子点压力探测系统的示意图。
19.图3是再一种光纤碳量子点压力探测系统的示意图。
20.图中：1、第一光纤；2、连接部；3、第二光纤；4、复合传感材料；5、受力部；44、碳量子点。
具体实施方式
21.为使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本技术作进一步详细说明。
22.实施例1
23.本发明提供了一种光纤碳量子点压力探测系统，包括光源、光探测器、第一光纤1、连接部2、第二光纤3、复合传感材料4、受力部5。第一光纤1的一端连接光源。光源为紫外光源，光源出射紫外光，紫外光耦合进入第一光纤1。第一光纤1为紫外光纤，以便于紫外光在第一光纤1内传播，产生较少的损耗。如图1所示，第一光纤1的另一端连接连接部2的一端，连接部2的另一端连接第二光纤3的一端，第二光纤3的另一端连接光探测器。光探测器包括光谱仪和感光元件，能够实现荧光光谱或荧光强度探测。第二光纤3为可见光光纤，以便于荧光在第二光纤3内传播，产生较少的损耗。连接部2的高度低于第一光纤1和第二光纤3的高度。复合传感材料4置于连接部2上，受力部5置于复合传感材料4上。复合传感材料4的两端分别与第一光纤1和第二光纤3接触。受力部5的尺寸小于复合传感材料4的上表面面积。复合传感材料4包括弹性材料和碳量子点44，碳量子点44掺杂在弹性材料中。弹性材料为透明弹性材料。更具体地，弹性材料为聚二甲基硅氧烷(pdms)。碳量子点44的大于1纳米、小于5纳米，以便于产生可见光波段的荧光，便于在观测时，肉眼也能看到光强变化，利于搭建或调整光路。另外，复合传感材料4的表面为平面，受力部5的底面为平面，以便于设置受力部5。受力部5的尺寸小于复合传感材料4的表面，以免受力部5接触第一光纤1和第二光纤3。
24.在本发明中，一定要限定连接部2的高度。将连接部2的高度限定为低于第一光纤1和第二光纤3的高度，以便于从第一光纤1出射的紫外光能够照射或耦合到复合传感材料4，从而激发复合传感材料4中的碳量子点44产生荧光；另外，也只有连接部2的高度低于第二
光纤1，碳量子点44所产生的荧光才能较多地耦合进入第二光纤3。连接部2的材料为石英玻璃，以便于从第一光纤1中出射的紫外光能够更多地耦合进入连接部2，并沿着连接部2传播，从复合传感材料4的底部激发更多的碳量子点产生荧光。另外，优选地，连接部2为第一光纤1部分纤芯和部分包层的延伸，第一光纤1中的紫外光沿纤芯传播，更多紫外光沿连接部2方向传播，激发碳量子点44产生更强的荧光。
25.应用时，光源产生紫外光，紫外光穿过第一光纤1，从第一光纤1的另一端出射并照射复合传感材料4中的碳量子点44，碳量子点44产生荧光，荧光耦合进入第二光纤3，光探测器探测荧光的强度和光谱。在待测压力作用下，受力部5压迫复合传感材料4，改变了碳量子点44之间的距离，从而改变了荧光的强度和中心波长，通过荧光强度或中心波长的改变实现压力探测。由于荧光的波长与激发光不同，光探测器所探测仅为荧光，不受激发光的影响。因此，本发明具有数据处理简单、对探测器要求低等优点，在光纤压力探测领域具有良好的应用前景。
26.碳量子点的主要形式包括碳点(carbon dots)和石墨烯量子点(graphene quantum dots)。本发明所述的碳量子点包括碳点和石墨烯量子点。碳量子点在紫外光的照射下可以实现下转换光致发光，即碳量子点被高能量的短波长光激发后，发出两个或者多个低能量的长波长的光子。碳量子点的下转换荧光具有良好的光稳定性及热稳定性，为本发明流速的准确、直观探测奠定了基础。近年来，研究者开发出许多中制备碳量子点的技术，这些技术采用不同的水热反应工艺，成本低，为本发明实现低成本的直观压力探测做好了铺垫。
27.在本发明中，第一光纤1为紫外光纤。紫外光纤在紫外光波段具有较小的光传输损耗。紫外光纤经石英喷涂处理、光纤拉丝和光纤预制棒套管等工艺制备而得。
28.在本发明中，第二光纤3为可见光光纤，紫外光在其内传播时时，产生较高的损耗。因此，在第二光纤3的出射端，经第二光纤3对紫外光的衰减后，出射光均为荧光，更便于探测。
29.在本发明中，碳量子点44被掺杂在聚二甲基硅氧烷中，并且复合传感材料4的表面为平面，复合传感材料4的表面也对激发光或荧光具有限制作用，从而使得更多的激发光耦合进入复合传感材料4内，也使得更多荧光耦合进入第二光纤3。
30.在本发明中，受力部5设置在复合传感材料4的上表面，受力部5的下表面对荧光也具有一定的限制作用，限制了荧光向图1中的上侧出射，增强了耦合进入第二光纤3中荧光的强度，便于探测器探测。
31.实施例2
32.在实施例1的基础上，如图2所示，连接部2为v形，连接部2的中部低，连接部2的两侧高，受力部5置于v形的上侧。这样一来，在v形凹槽内能够设置更多的碳量子点44，这些碳量子点44产生更强的荧光。特别地，当在受力部5上施加压力时，由于碳量子点44向v形凹槽的下侧移动，碳量子点44之间的距离改变更多，从而更多地改变荧光发射的中心波长，从而实现更高灵敏度的压力探测。将受力部5设置在v形凹槽的上侧，并且受力部5的面积大于v形凹槽的顶面积，受力部5将荧光限制在复合传感材料4内，使得更多的荧光耦合进入第二光纤3。
33.更进一步地，受力部5的底面设有贵金属层，贵金属的材料为金，贵金属层的厚度
大于50纳米。贵金属层增强了对荧光的限制作用，使得更多的荧光耦合进入第二光纤3。
34.更进一步，在连接部2的底部也设有贵金属层，底部贵金属层与受力部5底面的贵金属层一起，将荧光限制在复合传感材料4内，增强了第二光纤3输出荧光的强度。
35.实施例3
36.在实施例1的基础上，如图3所示，连接部2与第一光纤1连接的一端高，连接部与第二光纤3连接的一端低。也就是说，与第一光纤1接触的一端连接部2的截面积大；与第二光纤3接触的一端复合传感材料4的截面积大。这样的设计有利于更多的紫外光传播至连接部2，从而激发碳量子点44发生更强的荧光，也有利于碳量子点44所产生的荧光更多地耦合进入第二光纤3。
37.更进一步地，受力部5的底面设有贵金属层，贵金属的材料为金，贵金属层的厚度大于50纳米。贵金属层增强了对荧光的限制作用，使得更多的荧光耦合进入第二光纤3。
38.更进一步，在连接部2的底部也设有贵金属层，底部贵金属层与受力部5底面的贵金属层一起，将荧光限制在复合传感材料4内，增强了第二光纤3输出荧光的强度。
39.更进一步地，在第一光纤1和第二光纤3的端面处，复合传感材料4高，并且覆盖第一光纤1和第二光纤3的端面。这样一来，第一光纤1中的紫外光能够更多地耦合进入复合传感材料4从而激发更多的碳量子点44产生荧光，也便于更多的荧光耦合进入第二光纤3。在与第一光纤1和第二光纤3接触处，复合传感材料4中的碳量子点44稀疏或者没有碳量子点44，因为这些部位的荧光散射不涉及本发明中的压力探测。
40.以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术保护的范围之内。