CN101581610A - 智能服装用光纤光栅聚合物封装温度传感器制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种新型的光纤光栅聚合物封装温度传感器，属于传感技术领域。现有的传统电类温度传感器易受外界电磁干扰影响，测量精度不高；而裸光纤光栅易断、易受外界应力影响。本发明提出采用不饱和聚酯树脂聚合物封装光纤光栅。不饱和聚酯树脂具有高热膨胀系数，有效的提高了传感器的温敏系数。光纤光栅的内置固定不仅隔绝了光纤的轴向应变，而且有效的减少了外界应变干扰。这种新型的温度传感器结构简单，造价低廉，小巧方便，温敏系数高。由于光纤光栅测量灵敏度高以及防爆抗电磁干扰等特点，可以广泛适用于多种工作环境的温度测量中。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及到用于智能服装中对人体温度进行检测的采用聚合物封装的光纤光栅温度传感器。
背景技术
光纤光栅传感器可以埋覆在被测物体和材料内部对压强、温度、应力、应变、流速、流量等诸多物理量进行接收转换成电信号输出的一种器件，其检测原理是由被测体上述物理量的变化而引起光纤光栅反射或透射光谱的波长偏移、相位变化、偏振态变化及强度变化，通过解调这些光谱变化而达到对被测物理量的检测目的。由于光纤光栅具有耐久性好、抗电磁干扰、单端输入、体积小、准分布测量、抗潮湿、与强度信息无关等许多优点，从20世纪90年代以来在国际上成为了一种新兴的基础性光纤传感器件，可广泛应用于许多场合，对传统的传感器形成了替代趋势。人们竭力地探索光纤光栅在传感方面的应用。美国、加拿大、日本和德国在民用建筑工程、医疗、环保及航空测试等领域进行了广泛深入的研究和开发应用。
光纤光栅温度传感器与传统的传感器相比有很多优点，如灵敏度高、体积小、耐腐蚀、抗电磁辐射、光路可弯曲、便于实现遥测等。但是由于裸光纤光栅机械强度低并且热膨胀系数较低，用它直接作为温度传感器来测量温度非常困难。利用光纤光栅制作温度传感器，其温度灵敏度是应重点考虑的一个关键技术参数。因此，用大热膨胀系数的聚合物对裸光纤光栅进行封装以提高其机械强度和温度灵敏度是很有意义的。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光纤光栅技术的聚合物封装温度传感器，解决了现有的电类温度传感器易受外界电磁干扰影响、测量精度不高，以及裸光纤光栅易断、易受外界应力影响、温度灵敏度系数不高等缺点。
本发明所采用的技术方案是：采用聚合物封装光纤光栅。封装的具体做法是，首先配比聚合物。将不饱和聚酯树脂、过氧化甲乙酮和环烷酸钴液以100∶5∶2的比例混合。然后，将混合好的聚合物分别注入两个外直径为6mm，内直径为4mm的半圆柱形模具中，待固化后取出，得到两个直径为4mm的半圆柱形的聚合物。接着，用工具在两个半圆柱形的中心线上磨出一道凹槽，将裸光纤光栅也涂覆上液状聚合物后置于凹槽内。最后，用工具固定两个半圆柱体直到固化。本发明使用的聚合物的热膨胀系数远远大于裸光纤光栅，这种结构有效的提高了传感器的温度灵敏度系数。把光纤光栅固定在圆柱体中心线上，不仅可以隔绝光纤的轴向应变，还可避免出现多峰值现象，有效的减少了外界应变的干扰。
本发明的效果和益处是，该温度传感器克服了传统电类传感器的固有缺点以及裸光纤光栅易断、易受外界应力影响、温度灵敏度系数不高等缺点，体积小、测量精度高，而且在一根光纤上布置多个传感器可对多点进行准分布式温度测量。这种新型光纤光栅聚合物封装传感器结构十分简单，造价低廉，操作方便，而且封装后的传感器温度灵敏度系数得到了很大的提高，可广泛适用于各种工作环境下的温度测量中。
附图说明
图1是光纤光栅聚合物封装温度传感器侧向剖面示意图；
图2是光纤光栅聚合物封装温度传感器切向剖面示意图；
图3是封装工艺流程示意图。
图4是封装前后光纤光栅反射光谱图
图5是封装前后温敏特性曲线比较图
其中：
1：聚合物 2：光纤光栅
3：尼龙护套
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的最佳实施例。
本发明提出的新型光纤光栅聚合物封装温度传感器侧向剖面结构示意图如附图1所示，切向剖面结构示意图如附图2所示，封装操作流程示意图如附图3所示。封装的具体做法是，首先配比聚合物。将不饱和聚酯树脂、过氧化甲乙酮和环烷酸钴液以100∶5∶2的比例混合。然后，将聚合物分别注入两个外直径为6mm，内直径为4mm的半圆柱形模具中，固化后得到两个直径为4mm的半圆柱形的聚合物。接着，用工具在两个半圆柱形的中心线上磨出一道凹槽，将裸光纤光栅也涂覆上液状聚合物后置于凹槽内。最后，把两个半圆柱形合并成一个圆柱体，用工具固定直到圆柱体固化。
不饱和聚酯树脂是一种热固性树脂，它是由饱和二元酸、不饱和二元酸和二元醇缩聚而成的线性聚合物，经过活性溶剂稀释形成的具有一定黏度的树脂溶液。它的工艺性能更优良，可以在室温下固化，固化时间短，常压下成型，固化后树脂综合性能好。树脂颜色浅，耐腐蚀性和阻燃性好，适合植入衣物中。过氧化甲乙酮是不饱和聚酯树脂在世界上应用最广泛的引发剂。其价格低，性能好，使用极其方便，和树脂混合容易。环烷酸钴液作为促进剂，具有粘度小，颜色浅，产品质量稳定等特点。由这三种化合物混合而成的聚合物具有大热膨胀系数，固化时间短，防水性好等特点。采用这种聚合物封装光纤光栅能大大提高其温度灵敏度系数。在制作过程中，一般封装材料的热膨胀系数大于光纤材料，封装过程中会产生收缩不均匀，使得光纤光栅啁啾化，反射波形啁啾度不断变化，将导致波长变化规律不稳定，引起反射波长漂移量非线性化。为了避免这个问题，在封装过程中，用工具在两个聚合物半圆柱形的中心线上磨出一道，且对光纤光栅施加一定的预应力，力图保证光纤光栅平直并位于中心线的凹槽内，两个半圆柱体合并之后，光纤光栅处于圆柱体的正中部位，使传感光纤光栅在有效长度上产生均匀的热应变，保证光纤光栅反射波长与温度有良好的线性关系。
这种封装方式操作简单，造价低廉，取材方便，不仅有效地减小了外界应变对光纤光栅温度传感器性能的影响，而且大大提高了光纤光栅(2)的温度灵敏度系数。
实验中，采用美国MOI公司生产的SM130解调仪作为光纤光栅中心波长识别系统。该仪器基于F-P(Fabry-Perrot)干涉原理对光纤光栅反射谱中心波长进行解调，波长分辨率小于1pm，扫描范围为1520-1570nm，扫描频率最高可达1KHz。
为了有效地调节与保持温度，同时保证光纤光栅均匀地感受温度，采用水浴法对聚合物封装光纤光栅进行标定，即将中心波长为1530nm的聚合物封装光纤光栅置于温度可调的水浴箱中，由SM130解调仪内部的宽带光源经光纤入射到光栅上，再经其反射回SM130解调仪中，由解调仪来观察和分析光纤光栅的反射中心波长的变化。根据实验记录下光纤光栅每一次的波长变化和温度值，从而得到温敏特性曲线。封装前后光纤光栅反射光谱图如附图4所示，封装前后温敏特性曲线比较图如附图5所示。封装后的光纤光栅的波长变化与温度变化呈近似的线性关系，等效温敏系数约为70.3pm/℃，是裸光纤光栅的10倍左右，且具有良好的稳定性和重复性。
Claims (4)
1.一种光纤光栅聚合物封装温度传感器，其特征在于，采用聚合物(1)呈圆柱状封装光纤光栅(2)，其余光纤部分用尼龙套管(3)加以保护。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅聚合物封装温度传感器，其特征在于，所述的聚合物(1)是由不饱和聚酯树脂、过氧化甲乙酮和环烷酸钴液按照一定比例配比混合而成的。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅聚合物封装温度传感器，其特征在于，首先，准备好两个半圆柱的模具，将配比好的聚合物分别置入两个模具中，待聚合物固化后，则形成两个半圆柱体。接着用工具在两个半圆柱体的中心线处磨出一道凹槽，再将裸光纤光栅区也涂敷上聚合物，放置到其中一个半圆主体的凹槽内，然后将两个半圆柱聚合物结合，用模具固定，待固化后成型。
4.根据权利要求1所述的光纤光栅聚合物封装温度传感器，其特征在于，所述的聚合物(1)固化形成的半圆柱体直径为4mm。
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2009
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