CN103487163A

CN103487163A - 高灵敏度光纤温度及侧向压力传感器的制备方法

Info

Publication number: CN103487163A
Application number: CN201310409864.4A
Authority: CN
Inventors: 杨先辉; 杨睿; 刘镇领; 于永森; 朱礼斌; 万之套; 杜成良; 杨皓
Original assignee: CNPC Bohai Drilling Engineering Co Ltd
Current assignee: CNPC Bohai Drilling Engineering Co Ltd
Priority date: 2013-09-10
Filing date: 2013-09-10
Publication date: 2014-01-01

Abstract

本发明属于光纤传感器领域，具体涉及一种利用聚二甲基硅氧烷封装S形光纤锥制作高灵敏度光纤温度及侧向压力传感器的方法。首先将一段单模光纤放入光纤熔接机进行偏轴拉锥制作出S形光纤锥，然后将S形光纤锥固定在一个具有凹槽的模具中并倒入配好的PDMS溶液，最后将模具放入烘箱加热使PDMS固化将S形光纤锥封装起来，得到高灵敏度光纤温度及侧向压力传感器。本方法工艺简单、制作容易、成本低廉，所制得的传感器结构简单、灵敏度高。

Description

高灵敏度光纤温度及侧向压力传感器的制备方法

技术领域

本发明涉及光纤传感器领域，特别是涉及一种高灵敏度光纤温度及侧向压力传感器的制备方法。

背景技术

光纤传感器具有尺寸小、响应快、耐腐蚀、抗电磁干扰等诸多优点，近年来受到人们的广泛关注并获得了快速发展，已经被应用于物理、化学及生物等多个传感领域。其中，光纤温度及侧向压力传感器在易燃易爆气体或液体的温度与压力监测、建筑物结构健康监测、电力系统温度监测以及复合材料损伤监测等多个领域都有重要应用。人们开发了各种结构的光纤传感器用于温度及侧向压力的测量，如光纤Bragg光栅、长周期光纤光栅和各类光纤干涉仪。光纤Bragg光栅具有探测精度高、可分布式传感等优点，但其温度及侧向压力灵敏度偏低。长周期光纤光栅具有较高的灵敏度，但其对弯曲具有较大的交叉敏感性。此外，光纤Bragg光栅和长周期光纤光栅的制作涉及到昂贵的激光器、掩模板和精密的实验光路，其制备工艺复杂且成本较高。而利用光纤干涉仪制作的光纤传感器具有结构简单、制备容易、成本低廉等优点，近年来受到人们的重视。国内外各光纤传感器研究组利用光纤熔接机制备了多种结构新颖的光纤干涉仪传感器，包括光纤锥马赫-曾德尔干涉仪、微米光纤锥模式干涉仪、光纤微腔法布里-珀罗干涉仪以及光纤探头多模干涉仪等等。虽然这些光纤干涉仪传感器的制备方法简单，但传感灵敏度普遍偏低。如何简化制备工艺并获得高灵敏度的光纤温度及侧向压力传感器一直是人们追求的目标。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺简单的制备高灵敏度光纤温度及侧向压力传感器的方法。

为此，本发明的技术方案如下：

一种高灵敏度光纤温度及侧向压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

1）手动调整熔接机两侧光纤夹具的轴向偏移量；

2）将一段单模光纤去除长度为20～50mm的涂覆层，然后将其放入光纤熔接机的夹具上固定，调整好拉锥电流大小和放电时间，然后进行偏轴拉锥，制作出S形光纤锥；

3）将步骤2）制得的S形光纤锥固定在耐热模具内的凹槽中，并倒入由聚二甲基硅氧烷（PDMS）与固化剂按质量比10:1配好的溶液，然后将该耐热模具放入烘箱中加热，使PDMS固化、将S形光纤锥封装起来，得到所述高灵敏度光纤温度及侧向压力传感器。

本发明所使用的光纤熔接机具备拉锥功能，其与普通光纤熔接机的不同之处在于熔接机中光纤夹具的位置可以手动调节，以便进行偏轴拉锥，制备出S形光纤锥。进行偏轴拉锥时，先对熔接机内光纤夹具的位置进行手动调节，使他们在轴向上产生一定的偏移量，即变得不同轴。可以固定左端的光纤夹具，而移动右端的夹具使两者在轴向上产生50～500μm的相对偏移量，然后夹住光纤进行拉锥。

在步骤2）中，所使用的单模光纤是通信用单模石英光纤。所述通信用单模石英光纤为ITU-T标准中的G.652、G.653、G.654、G.655和G.656类型中的任意一种。

优选的是，在步骤2）中，拉锥电流为8～12mA，放电时间为8～15s。

在制作S形光纤锥时，将所述单模光纤前后两侧向相反方向弯曲，形成“S”形，该S形光纤锥由前后两个方向相反的弯曲部分和中间的锥腰组成，所述S形光纤锥的整体长度为550～900μm，锥腰直径为40～80μm。

在步骤3）中，所述S形光纤锥在凹槽中的位置是S形光纤锥所在的平面垂直于凹槽底面或与凹槽底面成45°角。当S形光纤锥所在平面垂直于凹槽底面时，最终得到的传感器的侧压灵敏度是与方向有关的，当侧压方向与S形光纤锥所在平面平行时，其灵敏度最高；当S形光纤锥所在平面与凹槽底面成45°角时，传感器的侧压灵敏度与方向无关，因为不管从哪个侧面施加压力，压力方向与S形光纤锥所在平面都是45°，不影响测量结果。

在步骤3）中，所使用的带有凹槽的模具由能耐受100℃温度处理不变形且易于加工的材料制作的，可以是特氟龙、玻璃、铝、铜、钢或合金，但不限于这些材料。凹槽的形状可以是长方体或者立方体，当是长方体时，凹槽的长为2～20mm，宽高相等，均为2～10mm。

在步骤3）中，所述固化剂为Dow Corning Corporation生产的SYLGARD184固化剂（curing agent）。

在步骤3）中，在进行加热时，所述烘箱内的温度为100℃，恒温加热2小时。

本发明所述方法制备的高灵敏度光纤温度及侧向压力传感器比现行公开的传感器如光纤Bragg光栅、长周期光纤光栅和光纤干涉仪制作的传感器灵敏度高了一个或几个数量级，且其结构简单、制备容易、成本低廉。所制得的传感器适用于易燃易爆气体或液体的温度及压力监测、建筑物结构健康监测、电力系统温度监测、复合材料损伤监测等多个领域。

附图说明

图1为本发明的方法中，进行拉锥时所使用的实验装置示意图；

图2为本发明的方法制得的S形光纤锥的光学显微镜图；

图3为本发明的方法中，进行封装时采用的实验装置示意图；

图4是本发明中PDMS封装S形光纤锥的结构示意图；

图5是本发明的实施例1制得的PDMS封装S形光纤锥的透射光谱图；

图6为本发明的实施例1制得的传感器的温度传感实验结果；

图7为本发明的实施例4制得的传感器的透射光谱图；

图8为实施例4制得的传感器的侧向压力传感实验结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作举例进行详细说明。

在下述实施例中，所使用的固化剂均为SYLGARD184固化剂。

实施例1-制作S形光纤锥

本实施例采用爱立信FSU975光纤熔接机对通信用单模光纤（CorningSMF-28e，符合G.652标准）进行偏轴拉锥制作S形光纤锥。

实验装置的示意图如图1所示，宽带信号光由光源1（NKT Photonics，SuperkCompact）提供，经单模光纤2、2’接入光谱分析仪6（Yokogawa，AQ6370B），对透射光谱进行实时监测与记录。光纤熔接机5如图中虚线框所示，包括可调节位置的光纤夹具3、3’和电弧放电电极4、4’。将光纤样品放入熔接机前，先手动调节两光纤夹具的位置。保持左侧光纤夹具3不动，仅调整右侧光纤夹具3’，使其向上移动160μm。然后将去掉20mm涂覆层的光纤放入光纤夹具3、3’中固定，使无涂覆层部分位于两夹具之间。在光纤熔接机上新建一个光纤拉锥程序，设置放电电流为10mA，拉锥时间为10s。最后运行拉锥程序，得到如图2所示的S形光纤锥（PSFT-1）。其锥腰处直径为64μm，两侧的相对偏移量为125μm。

实施例2-封装

对实施例1制作的S形光纤锥进行PDMS封装，制备高灵敏度光纤温度及侧向压力传感器。

参见图3，先将S形光纤锥9放入特氟龙模具7中间的长方体凹槽8内。凹槽的尺寸为5mm×5mm×10mm。调整S形光纤锥的位置，使S形光纤锥所在的平面垂直于凹槽底部，然后用磁性光纤夹具10、10’固定住光纤两端。

将配置好的PDMS溶液（PDMS与固化剂的质量比为10:1）缓缓倒满凹槽。最后将整个模具放入烘箱内，设置温度为100℃，恒温两小时使PDMS固化，得到高灵敏度光纤温度及侧向压力传感器，其结构示意图如图4所示。

实施例3

对实施例2制备的PDMS封装S形光纤锥样品PSFT-1进行温度传感实验。

图5给出的是PSFT-1的透射光谱，其具有多个明显的谐振峰。实验过程中选择峰11进行监测和记录。将PSFT-1放入油浴槽中进行温度测试，油浴槽的控温精度为0.01℃，测温范围从20℃到65℃，温度间隔2.5℃，每个温度保持10分钟，待光谱稳定后进行记录。随着温度的升高，PSFT-1的透射光谱发生蓝移，即峰11的波长向短波方向变化。PSFT-1的温度测试结果如图6所示，对其进行线性拟合，可得温度灵敏度为-2.17nm/℃，比传统的光纤Bragg光栅温度传感器高了两个数量级。

实施例4

按照实施例1所描述的方法制作S形光纤锥，其它条件均相同，所不同的是：调整光纤夹具3’向上移动140μm，设置放电电流为10mA，拉锥时间为11s，制备出S形光纤锥样品2。

将上述样品按实施例2所述方法进行操作，得到PDMS封装S形光纤锥样品2（PSFT-2），其透射光谱如图7所示，也具有多个谐振峰。

对PSFT-2进行侧向压力传感实验并监测和记录峰12的波长变化。调整好PSFT-2的方向，使外部侧向压力的方向与S形光纤锥所在平面平行，可以得到最大的侧向压力灵敏度。在PSFT-2的顶面加一块载玻片，使其受力均匀，然后在载玻片上逐渐叠加砝码，施加侧向压力，压力范围从0N到5.5N。随着侧向压力的增大，透射光谱向短波方向移动，每次测试待光谱稳定后进行记录。

图8给出了谐振峰12随侧向压力变化的结果。侧向压力的响应出现了两个不同的区间，当侧向压力小于2N时，波长变化较快，即灵敏度较大，而当侧向压力大于2N时波长变化较慢，即灵敏度较小。这是由于施加一个初始的侧向压力时（＜2N），S形光纤锥的形状会发生较大的变化，使得波长漂移量较大，当继续施加侧向压力时，S形光纤锥的形状变化较小，对波长漂移量的贡献减弱。这一特性使得PDMS封装S形光纤锥在较小的侧向压力作用时具有很高的灵敏度。对图8所示PSFT-2的侧向压力测试结果进行分段线性拟合，可得当侧向压力在0～2N之间时，PSFT-2的侧压灵敏度为-29.03nm/N，当侧向压力在2N到5.5N之间时，PSFT-2的侧压灵敏度为-13.50nm/N。其侧向压力灵敏度比传统的光纤侧向压力传感器提高了至少1-2个量级。

本发明所述方法制备的高灵敏度光纤温度及侧向压力传感器主要由两部分构成，即S形光纤锥和PDMS封装层。S形光纤锥是一种光纤马赫-曾德尔干涉仪结构，它的折射率和轴向应变灵敏度都很高，但对温度不敏感。当利用PDMS封装S形光纤锥形成新的器件后，可以将S形光纤锥对折射率和轴向应变的敏感性转换到新器件对温度和侧向压力的高灵敏度检测上。其对温度的敏感性源于PDMS具有较高的热光系数（～-1.5×10-4/℃）和热膨胀系数（325×10-6/℃）。当温度升高时，PDMS的折射率减小并发生膨胀。折射率减小使得S形光纤锥透射谱发生蓝移，PDMS膨胀对S形光纤锥产生轴向拉力也将使其谐振峰蓝移，两者共同作用提高了温度传感器性能。而对于高灵敏度的侧向压力传感，主要是由于PDMS具有较低的弹性模量（750kPa）和较大的泊松比（0.45）。当PDMS封装层受到侧向压力作用时，会在轴向产生膨胀并对S形光纤锥施加轴向拉力使光谱向短波方向移动。由于S形光纤锥结构具有显著的不对称性，当侧向压力的方向平行或垂直于S形光纤锥所在平面时，其响应灵敏度有较大区别。如果侧向压力平行于S形光纤锥所在平面时，随着压力的增大，S形光纤锥形状也会发生较大的变化，使光谱蓝移，进一步增大了器件侧向压力灵敏度。所以当压力方向平行于S形光纤锥所在平面时，可以得到最大的侧向压力灵敏度。

Claims

1.一种高灵敏度光纤温度及侧向压力传感器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1）手动调整熔接机两侧光纤夹具的轴向偏移量；

3）将步骤2）制得的S形光纤锥固定在耐热模具内的凹槽中，并倒入由PDMS与固化剂按质量比10:1配好的溶液，然后将该耐热模具放入烘箱中加热，使PDMS固化、将S形光纤锥封装起来，得到所述高灵敏度光纤温度及侧向压力传感器。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤1）中，所述熔接机两侧光纤夹具的轴向偏移量为50～500μm。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤2）中，所使用的单模光纤是通信用单模石英光纤。

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述通信用单模石英光纤为ITU-T标准中的G.652、G.653、G.654、G.655和G.656类型中的任意一种。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤2）中，拉锥电流为8～12mA，放电时间为8～15s。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在制作S形光纤锥时，将所述单模光纤前后两侧向相反方向弯曲，形成“S”形，该S形光纤锥由前后两个方向相反的弯曲部分和中间的锥腰组成，所述S形光纤锥的整体长度为550～900μm，锥腰直径为40～80μm。

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤3）中，所述S形光纤锥在凹槽中的位置是S形光纤锥所在的平面垂直于凹槽底面或与凹槽底面成45°角。

8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤3）中，所述耐热模具的耐受温度≥100℃，耐热模具的材料是特氟龙、玻璃、铝、铜、钢或合金。

9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤3）中，所述耐热模具内的凹槽为长方体形或正方体形，当所述凹槽为长方体时，所述凹槽的长度为2～20mm，宽度和高度相等，均为2～10mm。

10.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤3）中，所述固化剂为SYLGARD184固化剂；在进行加热时，所述烘箱内的温度为100℃，恒温加热2小时。