CN101776493A - 光纤温/湿度传感器感应层及其制备方法与应用 - Google Patents

光纤温/湿度传感器感应层及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光纤温/湿度传感器感应层的制备方法，在光纤上形成外径较小的光纤传感段，在光纤传感段的外围形成围栏，光纤传感段位于围栏内，填充液体材料在围栏内，形成一层液膜，将光纤传感段包在其中，即可在光纤传感段的外表面涂覆上了感应层。利用上述光纤温/湿度传感器感应层的制备方法制造的光纤温/湿度传感器感应层应用于生产光纤温/湿度传感器。本发明具有工艺简便，操作容易，制作成本低，适用性良好的优点。

Description

光纤温/湿度传感器感应层及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及利用光纤实现温/湿度检测的传感器技术，特别涉及光纤温/湿度传感器感应层及其制备方法与应用。
背景技术
光纤温/湿度传感器可将环境的温度/湿度转换为光信号，经光纤传输后在终端转换为便于处理、显示和记录的电信号，进而实现对温度/湿度的远程检测与控制。由于光纤传感器具有抗电磁干扰能力强、绝缘性能好等独特优势，它在仓储、过程控制、石油、化工与电力环境监测等方面有着广泛的应用，特别是在土壤侵蚀、森林植被和荒漠化等研究领域中，水土保持是核心问题，光纤温湿度传感器在土壤湿度监控中有不可替代的应用价值。光纤湿度传感器还可用于人体呼吸状态的远程监测、大体积混凝土的凝固过程和湿度扩散能力的监测。
光纤温度/湿度传感器类型的主要有光栅型、干涉型和光强调制型。其中，光强调制型具有体积小、结构简单和运行成本低的特点，十分有利于推广应用。光强调制型传感部分的结构主要有四种：1)纤芯及其外部涂覆的感应层，传感部分可为直线型或U型。感应层是有具有特殊吸收特性或折射率温度/湿度敏感的材料；2)纤芯的外表面有一层金属薄膜，其外部涂覆上感应层；3)经熔融拉锥法制作的、纤芯与包层的直径沿长度方向逐渐变化的锥形光纤，其外部涂覆上感应层；4)将光纤的包层部分腐蚀掉，剩余包层的直径保持均匀，其外部涂覆上感应层。光强调制型光纤传感器制作技术的关键点之一是感应层的涂覆。由于表面张力的原因，液态涂覆材料在常温下难以均匀涂覆在纤芯或光纤的外表面，涂覆层的厚度难以控制。为解决这一难点，中国发明专利(CN 100451629C)提出了利用化学和物理处理方法制备敏感膜，这种方法增加了传感器制作工艺的复杂性，而且还不具有普遍适用性。有的液态材料可以在高温下涂覆在玻璃纤维上。由于在涂覆过程中需要控制液态材料的温度，因此增加了工艺难度。本发明提出了一种十分简单可行的制备感应层的方法，可对不同长度、不同外径的光纤涂覆感应层，而且对涂覆材料没有特殊要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种工艺简便，操作容易，制作成本低，具有普遍适用性的光纤温/湿度传感器感应层的制备方法。
本发明的另一目的在于提供由上述光纤温/湿度传感器感应层的制备方法制造的光纤温/湿度传感器感应层。
本发明的再一目的在于提供光纤温/湿度传感器感应层的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种光纤温/湿度传感器感应层的制备方法，其特征在于：在光纤上形成外径较小的光纤传感段，在光纤传感段的外围形成围栏，光纤传感段位于围栏内，填充液体材料在围栏内，形成一层液膜，将光纤传感段包在其中，即可在光纤传感段的外表面涂覆上了感应层。
上述制备方法可包括下述具体步骤：
(1)在光纤上形成外径较小的光纤传感段，光纤传感段的两端为设置有保护涂层/保护外套的光纤，两端的外径都大于光纤传感段的外径；
(2)将光纤传感段设置于两根独立的支撑物之间，两根独立的支撑物均长于光纤传感段，两根独立的支撑物的外径都大于光纤传感段的外径；
(3)将两根独立的支撑物紧贴光纤传感段两端外径较大的设置有保护涂层/保护外套的光纤并与其固定在一起，两根独立的支撑物在光纤传感段两侧形成围栏，光纤传感段与两根独立的支撑物之间都存在间隙；
(4)将液体材料填充、涂覆在围栏内，依靠液体表面张力的作用，在围栏范围内形成一层液膜，所述液膜将光纤传感段包在其中，即可在光纤传感段的外表面涂覆上了感应层。
所述光纤传感段可为直线型或U型；相应地，所述两根独立的支撑物都为直线型或U型。
所述光纤传感段是市售阶跃型光纤上原有包层被部分/完全腐蚀掉的一段光纤、市售光纤上经熔融拉锥法制作的一段锥形光纤或市售光纤上制作了光纤光栅的一段光纤。
所述支撑物是玻璃纤维、塑料纤维、金属丝或者是其它可定型材料制成的有一定硬度，可起支撑作用的直条或U形条，也可为波浪形条或锯齿形条等形状，只要能实现形成封闭围栏并能成膜即可。
所述光纤传感段的长度为0.1～6cm；所述支撑物比光纤传感段优选长2cm或以上，以实现较好的固定效果。
所述支撑物的外径比光纤传感段的外径优选大10μm～1mm；既可保证在光纤传感段的外表面全部涂覆上感应层，又可避免浪费材料，而且便于操作实现。
所述液体材料可为聚乙烯醇水溶液、凝胶、白明胶、聚偏氟乙烯、琼脂糖凝胶、苯酚红和PMMA的溶液、PMMA和PVF的溶液、羟乙基纤维素和聚偏氟乙烯的溶液、PVPA加PVDF和HEC的溶液、结晶紫的Nafion溶液、硅树脂REN60溶液、OE4110溶液等；根据传感要求可以采用不同的感应材料，实现光纤温度传感或湿度传感的功能，如采用OE4110材料，可以实现温度传感；采用白明胶材料则实现湿度传感。
步骤(3)中，所述支撑物与设置有保护涂层/保护外套的光纤的固定在一起的方式可为粘结、绑定、夹持等方式；其中粘结是采用粘结剂或粘带等粘结在一起；所述绑定是采用带状物将支撑物与保护涂层/保护外套绑紧；所述夹持是采用夹具将支撑物与保护涂层/保护外套夹紧。
通过改变光纤的保护涂层/保护外套的厚度，可改变两条围栏之间的距离，这样可获得不同厚度的感应层；通过改变构成围栏的支撑物的直径，也可获得不同厚度的感应层，围栏不变，通过增加涂覆次数，也可以增加感应层厚度。
利用上述光纤温/湿度传感器感应层的制备方法制造的光纤温/湿度传感器感应层应用于生产光纤温/湿度传感器。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1)工艺简单；本发明仅采用一般的支撑物即可实现感应层的制备，选材容易，操作步骤非常简单，实现难度小，生产成本较低，比较适合于大规模的推广使用，经济效益比较明显。
2)作用可靠；本发明利用了液体表面张力的作用，使光纤传感段表面形成薄膜，其作用原理可靠，重复性好，在工业生产中非常容易实现，作用效果相当稳定。
3)适用性好；本发明不仅可以根据不同的生产要求选用不同的涂覆材料来实现不同的产品特征，而且可以按要求灵活设计涂覆层厚度，以满足不同的产品需求，适用范围较广。
4)产品质量高；本发明制备的传感器感应层经实验验证，其涂覆层厚度在纵向上非常均匀，所制备的传感器可获得极小的插入损耗和较快的响应速度，完全满足传感检测要求。
附图说明
图1是本发明一种实施方式的作用原理图。
图2是由图1所示方式制备的光纤传感段检测时，光功率随相对湿度变化的实验曲线图。
图3是本发明另一种实施方式的作用原理图。
图4是本发明又一种实施方式的作用原理图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
图1示出了本发明的一种实施方式，本光纤湿度传感器感应层的制备方法具体包括下述步骤：
(1)在光纤1上形成外径较小的光纤传感段，光纤传感段的两端为设置有保护外套的光纤，两端的外径都大于光纤传感段的外径；所述光纤是市售阶跃型光纤，型号为康宁SMF-28e的裸纤，光纤传感段长度为图示L，用光纤钳将光纤传感段上的保护层2去除，用5％～40％氢氟酸腐蚀掉部分光纤包层3，剩余包层外径为图示R；
(2)将光纤传感段设置于两根独立的玻璃纤维4、5之间，并在光纤的轴向方向上也处于玻璃纤维4、5的中间，两根独立的玻璃纤维4、5均比光纤传感段长2cm(两端各长1cm)，两根独立的玻璃纤维4、5的外径都大于光纤传感段的外径；
(3)将两根独立的玻璃纤维4、5紧贴光纤传感段两端外径较大的设置有保护涂层/保护外套的光纤1并与其固定在一起，具体的固定方式可采用带状物将玻璃纤维与保护涂层/保护外套绑紧的绑定形式；两根独立的玻璃纤维4、5在光纤传感段两侧形成围栏6、7，光纤传感段与两根独立的玻璃纤维4、5之间都存在间隙；
(4)将浓度为4％的聚乙烯醇水溶液填充在围栏6、7内，依靠液体表面张力的作用，在围栏6、7范围内形成一层液膜，所述液膜将光纤传感段包在其中，在室温中让水分自然蒸发掉，即可在光纤传感段的外表面涂覆上了感应层。
24小时后对光纤传感段进行检测，将含有传感段的光纤放在恒温恒湿箱中(德国Binder恒温恒湿箱KBF-240L)，温度设为20℃，改变湿度，检测不同湿度下经过光纤传感段的光功率变化。使用武汉光讯科技股份有限公司的台式稳定化光源和台式光功率计，光源波长λ为1550nm，输出功率为0dBm。传输光束经过传感段后光功率损耗随湿度变化的实验曲线如图2所示。
从图2看到，用本发明制作的感应层在湿度变化时，光纤传感段的输出光强可以从0.27mW变化到0.87mW；光强的衰减范围可以从-5.55dB到-0.59dB。在相对湿度大于90.7％后，光强的变化很小了，这说明此时湿敏材料的折射率已十分接近光纤原有包层的折射率。然而，相应的衰减接近-0.6dB，这意味着在光纤外表面形成了材料均匀分布的感应层，因此才出现了这么小的插入损耗。从图2中还可看到，在相对湿度从88％变化到91％时，传感器输出光强从0.27mW变化到了0.87mW，这说明感应层有很好的灵敏度。由实验结果可知，本发明提供的利用围栏制作感应层的方法，能制备出在纵向上的分布非常均匀的感应层，从而可获得性能很好的光纤传感器。
实施例2
图3示出了本发明另一种实施方式，本光纤温/湿度传感器感应层的制备方法具体包括下述步骤：
(1)在光纤1上形成外径较小的光纤传感段，光纤传感段的两端为设置有保护涂层/保护外套的光纤，两端的外径都大于光纤传感段的外径，光纤传感段被固定为U形；所述光纤是长飞创优多模裸纤，用光纤钳将光纤传感段上的保护层2去除，用5％～40％氢氟酸腐蚀掉光纤包层3；
(2)将U形光纤传感段设置于两根独立的U形金属丝之间，U形金属丝A的弯曲内径等于U形光纤传感段的弯曲外径，U形金属丝B的弯曲外径等于U形光纤传感段的弯曲内径，设置U形光纤传感段于U形金属丝A的内侧和U形金属丝B的外侧，并在光纤的轴向方向上处于两条U形金属丝的中间，两根独立的U形金属丝的外径都大于光纤传感段的外径；两条U形金属丝的两端分别长于光纤传感段约1cm；
(3)将两根独立的U形金属丝紧贴光纤传感段两端外径较大的设置有保护涂层/保护外套的光纤并与其固定在一起，具体的固定方式可采用粘结剂或粘带等粘结在一起的粘结方式；两根独立的U形金属丝在U形光纤传感段内外两侧形成围栏6、7，U形光纤传感段与两根独立的U形金属丝A、B之间都存在间隙；
(4)将浓度为5％白明胶的水溶液填充在围栏6、7内，依靠液体表面张力的作用，在围栏6、7范围内形成一层液膜，所述液膜将光纤传感段包在其中，在室温中让水分自然蒸发掉，即可在光纤传感段的外表面涂覆上了感应层。
实施例3
图4示出了本发明又一种实施方式，本光纤温/湿度传感器感应层的制备方法具体包括下述步骤：
(1)光纤1用市售单模裸纤，用光纤钳将传感段L上的保护层2去除，在传感段L上的制作了光纤光栅；
(2)将光纤光栅设置于两根独立的塑料纤维C、D之间，并在光纤的轴向方向上也处于塑料纤维C、D的中间，两根独立的塑料纤维C、D均比光纤光栅长2cm(两端各长1cm)，两根独立的塑料纤维C、D的外径都大于光纤光栅的外径；
(3)将两根独立的塑料纤维C、D紧贴光纤1并与其固定在一起，具体的固定方式可采用夹具将支撑物与保护涂层/保护外套夹紧的方式；两根独立的塑料纤维C、D在光纤光栅两侧形成围栏6、7，光纤光栅与两根独立的塑料纤维C、D之间都存在间隙；
(4)将苯酚红和二氧六环的水溶液填充在围栏6、7内，依靠液体表面张力的作用，在围栏6、7范围内形成一层液膜，所述液膜将光纤光栅包在其中，在室温中让水分自然蒸发掉，即可在光纤光栅的外表面涂覆上了感应层。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤温/湿度传感器感应层的制备方法，其特征在于：在光纤上形成外径较小的光纤传感段，在光纤传感段的外围形成围栏，光纤传感段位于围栏内，填充液体材料在围栏内，形成一层液膜，将光纤传感段包在其中，即可在光纤传感段的外表面涂覆上了感应层。
2.根据权利要求1所述的光纤温/湿度传感器感应层的制备方法，其特征在于包括下述具体步骤：
(1)在光纤上形成外径较小的光纤传感段，光纤传感段的两端为设置有保护涂层/保护外套的光纤，两端的外径都大于光纤传感段的外径；
(2)将光纤传感段设置于两根独立的支撑物之间，两根独立的支撑物均长于光纤传感段，两根独立的支撑物的外径都大于光纤传感段的外径；
(3)将两根独立的支撑物紧贴光纤传感段两端外径较大的设置有保护涂层/保护外套的光纤并与其固定在一起，两根独立的支撑物在光纤传感段两侧形成围栏，光纤传感段与两根独立的支撑物之间都存在间隙；
(4)将液体材料填充在围栏内，依靠液体表面张力的作用，在围栏范围内形成一层液膜，所述液膜将光纤传感段包在其中，即可在光纤传感段的外表面涂覆上了感应层。
3.根据权利要求2所述的光纤温/湿度传感器感应层的制备方法，其特征在于：所述光纤传感段为直线型或U型；相应地，所述两根独立的支撑物都为直线型或U型。
4.根据权利要求2所述的光纤温/湿度传感器感应层的制备方法，其特征在于：所述光纤传感段是市售阶跃型光纤上原有包层被部分/完全腐蚀掉的一段光纤、市售光纤上经熔融拉锥法制作的一段锥形光纤或市售光纤上制作了光纤光栅的一段光纤。
5.根据权利要求2所述的光纤温/湿度传感器感应层的制备方法，其特征在于：所述支撑物是玻璃纤维、塑料纤维、金属丝制成的有一定硬度，起支撑作用的直条或U形条；或为波浪形条或锯齿形条形状。
6.根据权利要求2所述的光纤温/湿度传感器感应层的制备方法，其特征在于：所述光纤传感段的长度为0.1～6cm；所述支撑物比光纤传感段长2cm或以上；所述支撑物的外径比光纤传感段的外径大10μm～1mm。
7.根据权利要求2所述的光纤温/湿度传感器感应层的制备方法，其特征在于：所述液体材料为聚乙烯醇水溶液、凝胶、白明胶、聚偏氟乙烯、琼脂糖凝胶、苯酚红和PMMA的溶液、PMMA和PVF的溶液、羟乙基纤维素和聚偏氟乙烯的溶液、PVPA加PVDF和HEC的溶液、结晶紫的Nafion溶液、硅树脂REN60溶液和OE4110溶液。
8.根据权利要求2所述的光纤温/湿度传感器感应层的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述支撑物与光纤的保护涂层/保护外套固定在一起的方式可为粘结、绑定或夹持方式；其中粘结是采用粘结剂或粘带等粘结在一起；所述绑定是采用带状物将支撑物与保护涂层/保护外套绑紧；所述夹持是采用夹具将支撑物与保护涂层/保护外套夹紧。
9.一种根据权利要求1～8任一项所述方法制备的光纤温/湿度传感器感应层。
10.根据权利要求9所述的光纤温/湿度传感器感应层应用于生产光纤温/湿度传感器。
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