CN103512620B - 湿敏光栅的制备方法及光纤光栅温湿传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种湿敏光栅的制备方法，首先将植物纤维进行水解去杂得到清洁溶液，再将清洁溶液用一定量的烯酮或乙酸酐去糖，然后在酸的作用下使纤维素的羟基官能团酯化，形成乙酰基官能团，然后将光栅表面通过硅烷偶联剂进行改性，使之表面的羟基改变为易与乙酰基键合的含硅烷的胺基团，再将含硅烷的胺基团的光栅清洗干燥，放入含乙酰基的纤维素的溶液中进行浸泡，形成枝接了纤维素的湿敏光栅，最后将上述湿敏光栅进行清洗并干燥，使光栅表面的植物纤维互相连接，形成包覆层。本发明还提供一种由上述湿敏光栅的制备方法制成的光纤光栅温湿传感器。采用湿敏光栅的制备方法获得的光纤光栅温湿传感器，能同时对温湿度较敏感。
Description
技术领域
本发明属于智能检测领域，特别涉及一种湿敏光栅的制备方法及以该方法获得的光纤光栅温湿传感器。
背景技术
布拉格光纤光栅是一种改变光纤轴向折光率的技术，可以通过在光纤掺氢掺锗情况下利用紫外线照射模板形成特定周期的光栅。宽带光谱经光纤在通过布拉格光栅时，全宽光谱被过滤，满足布拉格光栅波长的光被反射，其他波长的光通过了布拉格光栅。布拉格光栅的本质就是一个窄带滤波器。
当布拉格光栅在温度或其他作用下发生形变时，其布拉格光栅波长会发生改变，从而使得反射回来的光波波长发生改变，这种改变量与光栅形变改变量在较大的范围内呈线性关系。掺杂掺氢光纤光栅对温度变化较敏感，而对相对湿度变化的敏感度非常低，可认为接近于0。因此，光栅光纤对相对湿度的敏化技术决定了传感器对相对湿度测量结果的量程与精度。
现有的光纤光栅不能用来检测相对湿度，必须进行敏化处理。现有的敏化技术，是采用将光纤光栅浸敷PI(聚乙酰胺)，该方法被证明能够敏化光栅对湿度的灵敏度，但成品性能分布杂散，工艺过程受环境影响。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的问题，提供一种湿敏光栅的制备方法，利用植物纤维对湿度敏感的特性，将纤维素枝接到光栅上，既不影响植物纤维的吸湿性能，又能够将植物纤维因相对湿度变化导致的变化高效传递到光纤上。本发明还提供采用上述湿敏光栅的制备方法制成的一种光纤光栅温湿传感器，将光纤光栅对温度的敏化与植物纤维对湿度的敏化相结合，能对温度信息和湿度信息同时进行采集，且大大减少布线工程量与成本，简化了施工复杂度与调试难度，避免了电磁干扰的影响。
为了达到上述技术目的，本发明提供的一种湿敏光栅的制备方法采用的具体技术方案为：
一种湿敏光栅的制备方法，包括如下步骤：
a，将植物纤维进行水解，滤除溶液中的杂质后得到清洁溶液；
b，将清洁溶液经一定量的烯酮或乙酸酐去糖，将去糖后的生成物加入酸溶液使纤维素的羟基官能团酯化，形成乙酰基官能团；
c，将光栅放入由硅烷偶联剂、乙醇和水配成的溶液中，光栅表面的羟基与硅烷偶联剂键合成易与乙酰基键合的含硅烷的胺基团；
d，将具有含硅烷的胺基团的光栅清洗干燥，放入步骤b中含乙酰基的纤维素的溶液中进行浸泡，形成枝接了纤维素的湿敏光栅；
e，将上述湿敏光栅进行清洗并干燥，使光栅表面的植物纤维互相连接，形成包覆层。
作为上述方案的优选，所述步骤a中，对植物纤维进行水解的溶液是浓强碱溶液或【BMIM】cl(1-丁基-3甲基咪唑氧化物)溶液或【AMIM】cl(1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐)溶液或浓强碱与尿素混合的低温溶液。
作为上述方案的优选，所述步骤b中，所述的酸溶液是醋酸、醋酸酐、硝酸中的一种或多种。
作为上述方案的优选，所述步骤c中，所述的硅烷偶联剂是3-ATPS(三硅烷偶联剂)或KH570。
作为上述方案的优选，所述步骤a中的植物纤维为短棉纤维，在所述步骤a之前还包括步骤f,对短棉纤维进行去杂、梳理并敲打，得到较为干净的植物纤维。
作为上述方案的优选，所述的步骤e之后还包括步骤g，对所述光栅表面的包覆层通过鉴定并磨削来对其厚度进行调整，使包覆层的厚度达到既定要求。
作为上述方案的优选，所述步骤e中，通过热风对所述清洗后的湿敏光栅进行干燥。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：
1、利用植物纤维对湿度敏感的特性，将纤维素枝接到光栅上，既不影响植物纤维的吸湿性能，又能够将植物纤维因相对湿度变化导致的变化高效传递到光纤上。
2、选用浓强碱溶液或【BMIM】cl(1-丁基-3甲基咪唑氧化物)溶液或【AMIM】cl(1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐)溶液或浓强碱与尿素混合的低温溶液作为植物纤维水解的溶液，能使植物纤维水解地较充分。
3、酸溶液选用醋酸、醋酸酐溶液、硝酸中的一种或多种，使纤维素的羟基官能团更易形成乙酰基官能团。
4、硅烷偶联剂选用3-ATPS(三硅烷偶联剂)或KH570，使光栅表面的羟基形成易与乙酰基键合的含硅烷的胺基团。
5、利用短棉纤维作原料，对短棉纤维进行处理后得到干净的植物纤维后再将其枝接到光栅上，这一步骤可以降低生产成本，使废弃的短棉纤维再利用，绿色环保。
6、对光栅表面的包覆层进行调整，使其厚度达到既定要求，这样能得标准化的湿敏光栅。对于测量范围在相对湿度20％到50％的光栅，其覆层厚度最终控制在90-100微米，对于测量范围在相对湿度50％以上的光栅，其覆层厚度最终控制在80-90微米，而对于测量范围在相对湿度小于20％的场合，本湿敏光栅不能有效测量。
7、采用热风对清洗后的湿敏光栅进行干燥，环保安全。
为了达到上述技术目的，本发明提供的一种光纤光栅温湿传感器采用以下技术方案：
一种光纤光栅温湿传感器，包括光栅及包覆在光栅外部的植物纤维层。
由于具有上述结构，本发明提供的一种光纤光栅温湿传感器相比现有技术具有以下优点：在光栅外部包覆植物纤维层做成光纤光栅温湿传感器，将光纤光栅对温度的敏化与植物纤维对湿度的敏化相结合，实际使用时，可在一根光纤上布置多个该光纤光栅温湿传感器，大大减少布线工程量与成本，简化了施工复杂度与调试难度，而且该光纤光栅温湿传感器避免了电磁干扰的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种光纤光栅温湿传感器的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明的具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1
本发明提供一种湿敏光栅的制备方法，包括如下步骤：
a，将植物纤维放入【AMIM】cl(1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐)溶液中进行水解，滤除溶液中的杂质后得到清洁溶液；
b，将清洁溶液经一定量的烯酮去糖，将去糖后的生成物加入醋酸溶液使纤维素的羟基官能团酯化，形成乙酰基官能团；
c，将光栅放入由3-ATPS(三硅烷偶联剂)、乙醇和水配成的溶液中，光栅表面的羟基与3-ATPS键合成易与乙酰基键合的含硅烷的胺基团；
d，将具有含硅烷的胺基团的光栅清洗干燥，放入步骤b中含乙酰基的纤维素的溶液中进行浸泡，形成枝接了纤维素的湿敏光栅；
e，将上述湿敏光栅进行清洗并用热风进行干燥，使光栅表面的植物纤维互相连接，形成包覆层。
实施例2
f，选用废弃的短棉纤维作为纤维原料，对该短棉纤维进行水洗、晾晒、去除泥沙及大颗粒棉杂，然后进行梳理并同时敲打，得到较为干净的植物纤维；
a，将得到的较为干净的植物纤维放入【BMIM】cl(1-丁基-3-甲基咪唑氧化物)溶液中进行水解，滤除溶液中的杂质后得到清洁溶液；
b，将清洁溶液经一定量的烯酮去糖，将去糖后的生成物加入醋酸酐溶液使纤维素的羟基官能团酯化，形成乙酰基官能团；
c，将光栅放入由3-ATPS(三硅烷偶联剂)、乙醇和水配成的溶液中，光栅表面的羟基与3-ATPS键合成易与乙酰基键合的含硅烷的胺基团；
d，将具有含硅烷的胺基团的光栅清洗干燥，放入步骤b中含乙酰基的纤维素的溶液中进行浸泡，形成枝接了纤维素的湿敏光栅；
e，将上述湿敏光栅进行清洗并用热风进行干燥，使光栅表面的植物纤维互相连接，形成包覆层。
实施例3
f，选用废弃的短棉纤维作为纤维原料，对该短棉纤维进行水洗、晾晒、去除泥沙及大颗粒棉杂，然后进行梳理并同时敲打，得到较为干净的植物纤维；
a，将得到的较为干净的植物纤维放入【AMIM】cl(1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐)溶液中进行水解，滤除溶液中的杂质后得到清洁溶液；
b，将清洁溶液经一定量的烯酮去糖，将去糖后的生成物加入硝酸溶液使纤维素的羟基官能团酯化，形成乙酰基官能团；
c，将光栅放入由KH570、乙醇和水配成的溶液中，光栅表面的羟基与KH570键合成易与乙酰基键合的含硅烷的胺基团；
d，将具有含硅烷的胺基团的光栅清洗干燥，放入步骤b中含乙酰基的纤维素的溶液中进行浸泡，形成枝接了纤维素的湿敏光栅；
e，将上述湿敏光栅进行清洗并用热风进行干燥，使光栅表面的植物纤维互相连接，形成包覆层；
g，对e步骤中光栅表面形成的包覆层通过鉴定并磨削来对其厚度进行调整，使包覆层的厚度达到既定要求。
如图1所示，本发明还提供一种光纤光栅温湿传感器，包括光栅1、包覆在光栅外部的植物纤维层2。实际使用时，所述的光纤光栅传感器还可以包括包裹在植物纤维层外的多孔外壳3、设置于所述的光栅与植物纤维层两端的热熔用纤4、将多孔外套固定于所述的热熔用纤上的护套5。在光栅外部包覆植物纤维层做成光纤光栅温湿传感器，将光纤光栅对温度的敏化与植物纤维对湿度的敏化相结合，使用时，可在一根光纤上布置多个光纤光栅温湿传感器，大大减少布线工程量与成本，简化了施工复杂度与调试难度，而且该光纤光栅温湿传感器避免了电磁干扰的影响。
以上所述仅为本发明的几个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的普通技术人员在本发明披露的技术范围内，可以轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种湿敏光栅的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a，将植物纤维进行水解，滤除溶液中的杂质后得到清洁溶液；
b，将清洁溶液经一定量的烯酮或乙酸酐去糖，将去糖后的生成物加入酸溶液使纤维素的羟基官能团酯化，形成乙酰基官能团；
c，将光栅放入由硅烷偶联剂、乙醇和水配成的溶液中，光栅表面的羟基与硅烷偶联剂键合成易与乙酰基键合的含硅烷的胺基团；
d，将具有含硅烷的胺基团的光栅清洗干燥，放入步骤b中含乙酰基的纤维素的溶液中进行浸泡，形成枝接了纤维素的湿敏光栅；
e，将上述湿敏光栅进行清洗并干燥，使光栅表面的植物纤维互相连接，形成包覆层。
2.根据权利要求1所述的湿敏光栅的制备方法，其特征在于，所述步骤a中，对植物纤维进行水解的溶液是浓强碱溶液或【BMIM】cl(1-丁基-3甲基咪唑氧化物)溶液或【AMIM】cl(1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐)溶液或浓强碱与尿素混合的低温溶液。
3.根据权利要求2所述的湿敏光栅的制备方法，其特征在于，所述步骤b中，所述的酸溶液是醋酸、醋酸酐、硝酸中的一种或多种。
4.根据权利要求2或3所述的湿敏光栅的制备方法，其特征在于，所述步骤c中，所述的硅烷偶联剂是3-ATPS(三硅烷偶联剂)或KH570。
5.根据权利要求1所述的湿敏光栅的制备方法，其特征在于，所述步骤a中的植物纤维为短棉纤维，在所述步骤a之前还包括步骤f,对短棉纤维进行去杂、梳理并敲打，得到较为干净的植物纤维。
6.根据权利要求1所述的湿敏光栅的制备方法，其特征在于，所述的步骤e之后还包括步骤g，对所述光栅表面的包覆层通过鉴定并磨削来对其厚度进行调整，使包覆层的厚度达到既定要求，具体为：对于测量范围在相对湿度20％到50％的光栅，其覆层厚度最终控制在90-100微米，对于测量范围在相对湿度50％以上的光栅，其覆层厚度最终控制在80-90微米，而对于测量范围在相对湿度小于20％的场合，本湿敏光栅不能有效测量。
7.根据权利要求1所述的湿敏光栅的制备方法，其特征在于，所述步骤e中，通过热风对所述清洗后的湿敏光栅进行干燥。
8.一种光纤光栅温湿传感器，其特征在于，采用权利要求1-7中任一项湿敏光栅的制备方法制备而成，包括光栅及包覆在光栅外部的植物纤维层。
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