CN112254749A - 一种高聚物双光纤光栅微检测系统及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高聚物双光纤光栅微检测系统及其制备方法，使用柔韧的，具有高传输速度的全氟、径向渐变指数高聚物芯层、包层形成的高聚物光纤，然后使用飞秒激光器激光在光纤的轴向，按照一定距离，直接再进行平面上折光指数调制，也就是“书写”或“刻划”成布拉格全氟高聚物光纤光栅，再之后将光栅安装在微小柔性高聚物套管，然后将套管固定在稍硬些的TPU基座上。外界环境的微小变化如外施加的力，温度等会对光栅的螺距产生变化，从而产生反射的波长位移变化，然后使用光电转换、数据检测解析系统等进行数据分析得到检测参数。
Description
技术领域
本发明属于光纤通讯检测领域，具体涉及一种高聚物双光纤光栅微检测系统及其制备方法。
背景技术
科学技术正在日新月异地发展，人们的生活正在改良，各种随之而来的检测、探测要求也日益增大。各种精密、小型化、数据化检测技术被研发出来，这些科技发展基本上都没有注重考虑使用环境，特别是在柔韧、动态、低延迟、高速度数据传输环境中，如在生物体内，或者仿生生态环境中。
在仿生、生态环境中，检测设备本身对环境的“融入度”，灵敏度，精确度，小型化都决定着仿生检测应用的成功与否。近来布拉格玻璃光纤光栅(GOF Fiber Bragg Grating)被用于检测压力，温度变化，化学变化参数等。
从结构上来说典型的玻璃光纤(GOF)是一个光指数稍高的、透明的芯层(core)外覆一个折光指数稍低的包层(cladding)，整体形成能对沿轴向入射光线产生全反射的结构，因为全反射，使得光线信号就被限制在光纤芯层里传输。玻璃光纤以其优良的性能而被广泛用于长距离高速通信系统，但玻璃光纤非常容易折断，特别是在运营和安装过程时弯曲转角动作中。这个特点增加了玻璃光纤，特别是在检测应用上的运营成本。这使得玻璃光纤在现代高速检测、数据通信上的末端应用发展受阻，因此人们还必须使用金属线或同轴电缆来检测、探测应用。但是金属线缆的低数据传输速度，高重量，大尺寸问题大大限制了它们在新型、高速、小型化检测中的应用。
发明内容
为了解决现有的玻璃光纤易断，链接复杂，运营成本高，而金属电缆的通信速度超低，易受电磁干扰、尺寸大，重量大等问题，本发明提供一种新型全氟高聚物双布拉格光纤光栅检测系统及其制备方法。一个光栅作为有温度补偿的对外施加力的检测，另一个独立的光栅作为环境温度的主测试光栅。本光栅检测系统具有小型化，能快速探测环境变化、提供信息，并具有仿生功能，适合于现代的仿生超高速通讯，仿生检测系统。
本发明的主旨是使用柔韧的，具有高传输速度的全氟、径向渐变指数高聚物芯层、包层形成的高聚物光纤，然后使用飞秒激光器(Femtosecond Laser)激光在光纤的轴向，按照一定距离(螺距)，直接再进行平面上折光指数调制，也就是“书写”或“刻划”成布拉格全氟高聚物光纤光栅，再之后将光栅安装在微小柔性高聚物套管(硬度在65邵氏A以下)，然后将套管固定在稍硬些的TPU(邵氏A硬度95)基座上。外界环境的微小变化如外施加的力，温度等会对光栅的螺距产生变化，从而产生反射的波长位移变化，然后使用光电转换、数据检测解析系统等进行数据分析得到检测参数(力，温度等变化)。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高聚物双光纤光栅微检测系统，包括：
基座；
高聚物光纤；
第一光栅与第二光栅；
第一套管与第二套管；
其中，所述第一套光与第二套管并排固定于基座上，第一光栅与第二光栅刻写与高聚物光纤的芯体上，所述高聚物光纤插入到第一套管与第二套管中，使得第一光栅位于第一套管的中心位置，第二光栅位于第二套管的中心位置。
根据本发明其中一个较佳实施例，所述第一光栅的螺距Λ-s为460-500nm，长度为6-10mm，第二光栅的螺距Λ-T为510-530nm，长度为6-10mm，所述第一光栅与第二光栅的有效折光指数heff均为1.3481。
根据本发明其中一个较佳实施例，所述第一光栅与第二光栅在高聚物光纤上的轴向相距14-16mm，第一光栅与第二光栅并排相距1-1.4mm。
根据本发明其中一个较佳实施例，所述高聚物光纤由全氟高聚物材料制成，所述第一套管与第二套管的材料包括硅橡胶，三元乙丙橡胶，天然橡胶或TPU，第一套管与第二套管的硬度为邵氏A硬度25-68，所述基座的硬度为邵氏A硬度95-105。
根据本发明其中一个较佳实施例，所述高聚物光纤的芯体包括：第一芯层、第二芯层、第三芯层、第四芯层，第五芯层和外皮层依次环状包覆形成，并且所述第一芯层、第二芯层、第三芯层、第四芯层，第五芯层和外皮层的折射率依次降低。
根据本发明其中一个较佳实施例，所述第一芯层的折光指数为1.3560，所述第二芯层的折光指数为1.3532，所述第三芯层的折光指数为1.3500，所述第四芯层的折光指数为1.3473，所述第五芯层的折光指数为1.3451，外皮层的折光指数为1.3370。
根据本发明其中一个较佳实施例，所述检测系统还包括激光探询器，用于发送和接收光纤光栅反射回的光波信号及信号处理。
本发明进一步提供一种高聚物双光纤光栅微检测系统的制备方法，，所述制备方法包括以下步骤：
(一)高聚物光纤：
S1：制备六种不同折光指数的共聚物；
S101：往反应釜中加入单体M8A：全氟-2-甲基-4，5-甲醚基-1，3-二氧戊环烷、单体M8C：全氟-2-甲基-4-乙基-1，3-二氧戊环烷、引发剂；
S102：搅拌并通入氮气进行清洗，清洗完成后反应釜减压加热进行聚合反应；
S103：反应完成后将反应物用溶剂六氟苯溶解，接着用溶剂氯仿沉淀，反复溶解、沉淀后，获得共聚物F；
所述共聚物F根据不同比例的M8A单体和M8C单体获得共聚物F1、共聚物F2、共聚物F3、共聚物F4、共聚物F5、共聚物F6；
S2：将六种不同折光指数的共聚物注入共挤出系统上制作共聚物光纤；
(二)光栅刻写：
(1)在移动平台上对步骤(一)得到的高聚物光纤通过逐点式进行激光刻写光栅，激光束聚焦在高聚物光纤的芯层，在芯层横截面进行激光扫描；然后将光纤沿轴向位移螺距Λ-s，再进行下一个横截面的折光指数的激光刻写，重复上述位移与刻写步骤，得到了第一光栅；
(2)将光纤沿轴向位移螺距Λ-T，进行下一个横截面的折光指数的激光刻写，重复上述位移与刻写步骤，得到了第二光栅；第一光栅与第二光栅在高聚物光纤上的轴向相距14-16mm；将高聚物光纤在恒温箱内热处理并保温；
(3)通过挤出成型得到截面为圆形，柔性的第一套管与第二套管，将步骤(2)刻写完第一光栅与第二光栅的高聚物光纤插入第一套管中，使得第一光栅位于第一套管的中心位置；继续将高聚物光纤插入第二套管中，使得第二光栅位于第二套管的中心位置，将第一套管与第二套管并排固定在基座上，形成双光栅检测系统。
根据本发明其中一个较佳实施例，所述步骤(1)中，第一光栅的螺距Λ-s为460-500nm，所述步骤(2)中，第二光栅的螺距Λ-T为510-530nm。
根据本发明其中一个较佳实施例，所述步骤(2)中恒温箱内的温度为70-90℃，保温时间24-26h。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明首先提供一种全氟高聚物渐变指数光纤，具有渐变折光指数分布，1.3370-1.3560的梯度折光指数，与现有技术的SI-POF相比，该全氟高聚物光纤的折光指数由内芯向外皮层逐渐减小，使得入射光线传输延时比普通SI-POF更短，信号传输带宽更大，传输速度更快；且该共聚物光纤的透明率达到98％以上，柔韧性强，适用于仿生应用超高速通信。潜在用途包括仿生机器人，智慧医疗的精准测试，工业用的压力，温度传感，智能驾驶的探测系统等。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是超高速通信用共聚物光纤的结构示意图；
图3是共聚物F的反应方式；
图4是共聚物F1-F6的DSC曲线分析图；
图5是共挤出系统的结构示意图；
图6是全氟高聚物光纤光栅刻写；
图7是全氟高聚物光纤光栅探测系统组装图；
图8是本发明高聚物光纤光栅的外加力-反射波长位移关系；
图9是本发明高聚物光纤光栅的温度-反射波长位移关系。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
本发明提供了一种高聚物双光纤光栅微检测系统，包括：基座；高聚物光纤；第一光栅与第二光栅；第一套管与第二套管；
其中，所述第一套光与第二套管并排固定于基座上，第一光栅与第二光栅刻写与高聚物光纤的芯体上，所述高聚物光纤插入到第一套管与第二套管中，使得第一光栅位于第一套管的中心位置，第二光栅位于第二套管的中心位置。
参见图1，本发明的高聚物双光纤光栅微检测系统的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(一)高聚物光纤：
S1：制备六种不同折光指数的共聚物；
S101：往反应釜中加入单体M8A：全氟-2-甲基-4，5-甲醚基-1，3-二氧戊环烷、单体M8C：全氟-2-甲基-4-乙基-1，3-二氧戊环烷、引发剂；
S102：搅拌并通入氮气进行清洗，清洗完成后反应釜减压加热进行聚合反应；
S103：反应完成后将反应物用溶剂六氟苯溶解，接着用溶剂氯仿沉淀，反复溶解、沉淀后，获得共聚物F；
所述共聚物F根据不同比例的M8A单体和M8C单体获得共聚物F1、共聚物F2、共聚物F3、共聚物F4、共聚物F5、共聚物F6；
S2：将六种不同折光指数的共聚物注入共挤出系统上制作共聚物光纤；
(二)光栅刻写：
(1)在移动平台上对步骤(一)得到的高聚物光纤通过逐点式进行激光刻写光栅，激光束聚焦在高聚物光纤的芯层，在芯层横截面进行激光扫描；然后将光纤沿轴向位移螺距Λ-s，再进行下一个横截面的折光指数的激光刻写，重复上述位移与刻写步骤，得到了第一光栅；
(2)将光纤沿轴向位移螺距Λ-T，进行下一个横截面的折光指数的激光刻写，重复上述位移与刻写步骤，得到了第二光栅；第一光栅与第二光栅在高聚物光纤上的轴向相距14-16mm；将高聚物光纤在恒温箱内热处理并保温；
(3)通过挤出成型得到截面为圆形，柔性的第一套管与第二套管，将步骤(2)刻写完第一光栅与第二光栅的高聚物光纤插入第一套管中，使得第一光栅位于第一套管的中心位置；继续将高聚物光纤插入第二套管中，使得第二光栅位于第二套管的中心位置，将第一套管与第二套管并排固定在基座上，形成双光栅检测系统。
高聚物光纤合成：
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中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一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图2和图3所示，超高速通信用共聚物光纤，具有梯度折光指数分布，包括六层同心结构设置的光纤层108，所述光纤层108应用下述的超高速通信用共聚物光纤的制备方法制得。
光纤层108包括第一芯层1081、第二芯层1082、第三芯层1083、第四芯层1084、第五芯层1085、外皮层1086，所述第一芯层1081、第二芯层1082、第三芯层1083、第四芯层1084、第五芯层1085、外皮层1086具有1.3560-1.3370的梯度折光指数，该光纤层应用下述共挤系统，使第一芯层1081与第二芯层1082、第三芯层1083、第四芯层1084、第五芯层1085、外皮层1086形成一折光指数由芯到外逐渐减小的光纤层；
本实施例中第一芯层1081的折光指数为1.3560，所述第二芯层1082的折光指数为1.3532，所述第三芯层1083的折光指数为1.3500，所述第四芯层1084的折光指数为1.3473，所述第五芯层1085的折光指数为1.3451，外皮层1086的折光指数为1.3370；且第一芯层1081、第二芯层1082、第三芯层1083、第四芯层1084以及第五芯层1085构成的芯层的直径为50-120μm。外皮层1086的直径为490-750μm。且第一芯层1081、第二芯层1082、第三芯层1083、第四芯层1084、第五芯层1085、外皮层1086均采用采用全氟二氧杂环戊烷共聚物组成。实施例一
如图3所示，共聚物F1的合成
共聚物F1是按照自由基聚合路线合成，自由基由全氟过氧化双苯甲酰PFDBPO经过热分解提供。
S101：往反应釜中加入n摩尔单体M8A：全氟-2-甲基-4，5-甲醚基-1，3-二氧戊环烷、m摩尔单体M8C：全氟-2-甲基-4-乙基-1，3-二氧戊环烷、引发剂，其中n：m＝20-95:5-80；该引发剂包括全氟过氧化双苯甲酰，该引发剂的质量百分比为0.1％；
即在一个气密性良好的小型反应釜里，加入258.4克(0.95mol)M8A单体和14.7克(0.05mol)M8C单体，接着再加入0.273克引发剂；
S102：搅拌并通入氮气进行清洗，清洗完成后反应釜减压至0.3-0.8大气压，并加热至70-90℃进行聚合反应，反应时间为25-35h；
本实施例中反应釜的反应压力为0.5大气压，反应温度为80±1℃，反应时间为30h；
S103：反应完成后将反应物用溶剂六氟苯溶解，接着用溶剂氯仿沉淀，反复溶解、沉淀后，获得共聚物F；
即反应30h后将反应物用足够的溶剂六氟苯加热溶解，使得溶液呈现无色、透明状态，接着用溶剂氯仿沉淀；反复进行至少三次的溶解、沉淀操作，从而获得共聚物F1；接着将共聚物F1放入压力为0.5大气压，温度为100±1℃的减压烘箱中烘干24h。计算该共聚物F1的转化率为82％，并应用热重分析法TGA测得该共聚物F1的在空气中的热分解温度Td≥300℃，表明该共聚物F1的热稳定高；
实施例二
如图3所示，共聚物F2的合成
共聚物F2是按照自由基聚合路线合成，自由基由全氟过氧化双苯甲酰PFDBPO经过热分解提供。
本实施例与实施例一的区别在于：M8A单体、M8C单体的摩尔质量，本实施例中M8A单体217.6克(0.8mol)、M8C单体18.8克(0.2mol)、引发剂0.236克，聚合反应后获得共聚物F2，计算该共聚物F2的转化率为79％，并应用热重分析法TGA测得该共聚物F2的在空气中的热分解温度Td≥300℃，表明该共聚物F2的热稳定高。
实施例三
如图3所示，共聚物F3的合成
共聚物F3是按照自由基聚合路线合成，自由基由全氟过氧化双苯甲酰PFDBPO经过热分解提供。
本实施例与实施例一的区别在于：M8A单体和M8C单体的摩尔质量，本实施例中M8A单体190.4克(0.7mol)、M8C单体88.2克(0.3mol)、引发剂0.278g，聚合反应后获得共聚物F3，计算该共聚物F3的转化率为79％，并应用热重分析法TGA测得该共聚物F3的在空气中的热分解温度Td≥300℃，表明该共聚物F3的热稳定高。
实施例四
如图3所示，共聚物F4的合成
共聚物F4是按照自由基聚合路线合成，自由基由全氟过氧化双苯甲酰PFDBPO经过热分解提供。
本实施例与实施例一的区别在于：M8A单体和M8C单体的摩尔质量，本实施例中M8A单体163.2克(0.6mol)、M8C单体117.6克(0.4mol)、引发剂0.281g，聚合反应后获得共聚物F4，计算该共聚物F4的转化率为80％，并应用热重分析法TGA测得该共聚物F4的在空气中的热分解温度Td≥300℃，表明该共聚物F4的热稳定高。
实施例五
如图3所示，共聚物F5的合成
共聚物F5是按照自由基聚合路线合成，自由基由全氟过氧化双苯甲酰PFDBPO经过热分解提供。
本实施例与实施例一的区别在于：M8A单体和M8C单体的摩尔质量，本实施例中M8A单体136.0克(0.5mol)、M8C单体147.0克(0.5mol)、引发剂0.283g，聚合反应后获得共聚物F5，计算该共聚物F5的转化率为81％，并应用热重分析法TGA测得该共聚物F5的在空气中的热分解温度Td≥300℃，表明该共聚物F5的热稳定高。
实施例六
如图3所示，共聚物F6的合成
共聚物F6是按照自由基聚合路线合成，自由基由全氟过氧化双苯甲酰PFDBPO经过热分解提供。
本实施例与实施例一的区别在于：M8A单体和M8C单体的摩尔比，本实施例中M8A单体54.4克(0.2mol)、M8C单体235.2克(0.8mol)、引发剂0.290g，聚合反应后获得共聚物F6，计算该共聚物F6的转化率为78％，并应用热重分析法TGA测得该共聚物F6的在空气中的热分解温度Td≥300℃，表明该共聚物F6的热稳定高。
实施例七
共聚物F的物理性能测试
将上述实施例一至六制得的共聚物F1、共聚物F2、共聚物F3、共聚物F4、共聚物F5、共聚物F6放入特制的小型Brabender型混合机器中混合，该混合室内的活动部件都是由特制的陶瓷经过铸造而成，减少金属活动部件由于摩擦产生的细小碎末，从而减少污染。混合室内温度控制在130-270℃，加热并混合熔化混合5-10分钟后，将混合物样品挤出，急速冷却后存储在室温备用。注：样品的折光指数性能测试实验，需在共混实验后一天内马上进行测试，测试数据如表1-1所示。
表1-1
如图4所示，将混合后的获得的共聚物F1-F6进行差示扫描量热法DSC测试，其DSC曲线可知共聚物F1-F6只有玻璃转化温度Tg，无结晶度。
二)高聚物纺纤
实施例八
如图5所示，超高速通信用共聚物光纤的制备方法，
将实施例一至六制得的共聚物F1、共聚物F2、共聚物F3、共聚物F4、共聚物F5、共聚物F6六种不同折光指数的共聚物注入共挤出系统上制作共聚物光纤；
所述共挤出系统包括共挤模具100及六个挤出头，所述共挤模具由其中心向外依次同心分布有第一流道101、第二流道102、第三流道103、第四流道104、第五流道105及第六流道106，所述共挤模具上设有加热渐变区，各挤出头与各流道一一对应对接；通过所述挤出头将六种共聚物按其折光指数由大到小将其熔融流体一一对应注入所述第一流道101、第二流道102、第三流道103、第四流道104、第五流道105及第六流道106中，以分别生成第一芯层、第二芯层、第三芯层、第四芯层、第五芯层及外皮层；所述第一芯层、第二芯层、第三芯层、第四芯层、第五芯层及外皮层经所述加热渐变区逐渐形成共聚物光纤。
即制作共聚物光纤时，通过挤出头将六种共聚物F1-F6按其折光指数由大到小将其熔体一一对应注入各挤出头内，即挤出头1的材料是由共聚物F1的配方组成；挤出头2的材料是由共聚物F2的配方组成；挤出头3的材料是由共聚物F3的配方组成；挤出头4的材料是由共聚物F4的配方组成；挤出头5的材料是由共聚物F5的配方组成；挤出头6的材料是由共聚物F6的配方组成，这些材料在100模具组合里形成初始截面为同心圆结构(如图2所示)的圆柱体。该圆柱体通过渐变区107后，形成光纤108。光纤108从共挤模具100挤出成型后经激光检测器109检测光纤108的直径等参数，最后光纤108由接线辊110和卷线辊111收卷。
利用本发明的超高速通信用共聚物光纤的制备方法制得多种具有实用性的超高速通信用共聚物光纤，并使用1310nm激光测各共聚物光纤的性能，其数据如表1-2所示；
表1-2
由表1-2可知，制得的超高速通信用共聚物光纤的光损耗、带宽、数值孔径以及弯曲损失均符合超高速通信的要求。
三)光栅刻写：
本发明的下一步将上述成型的高聚物光纤进一步刻划出两个布拉格光纤光栅Gr-s第一光栅，Gr-T第二光栅，即在全氟高聚物光纤芯层的轴向进一步进行调制、变换、微调更改它的轴向折光指数分布。
如图6全氟高聚物光纤光栅刻写，在一个纳米精密级别的气浮移动平台112上在上述得到的高聚物光纤POF113上直接使用飞秒(fs)激光器114通过逐点式方法进行刻写光栅，激光波长为517nm,脉冲能量为80nJ，脉冲宽度为220fs。激光束通过50倍的油浸目镜115聚焦在光纤113的芯层，然后在芯层横截面进行激光扫描，激光改变了该横截面的分子微小相变化从而引起折光指数变化；之后将光纤沿轴向位移一个距离(螺距Λ-s)，再进行下一个横截面的折光指数改性(激光刻写)，重复上述步骤使得芯层的轴向折光指数按照螺距Λ-s发生微小变化。得到了Gr-s第一光栅116，其螺距Λ-s为480nm，长度为8mm，该光栅将主要作为因外力施加对光栅产生的反射光位移测试用；Gr-T第二光栅117其螺距Λ-T为520nm，长度为8mm，这个光栅将主要作为温度参数测量用。得到的光纤布拉格光栅Gr-s第一光栅，Gr-T第二光栅在光纤轴向相距约15mm，整段光纤光栅检测器放在恒温箱里在80℃温度下热处理并保持24小时，使得高聚物分子充分弛豫，以减少制作过程中产生的应力。这个步骤也进一步增加检测的参数灵敏度。得到的两个光纤光栅的有效折光指数是ηeff为1.3481。光栅的一级反射光波长符合λGr＝2ηeff*Λ。
四)TPU套管和基座：
全氟高聚物布拉格光栅的高聚物柔性套管和基座是本发明非常重要的一环之一。它提供了类似人体肌肉皮肤的柔性(邵氏A硬度25-68)，具有好的回弹性，同时TPU本身具有良好的生物相容性。它在检测器使用的温度环境中(10-50℃)的硬度变化不大，不对光纤光栅产生过大的应力。TPU本身具有很好的回弹性。能帮助全氟高聚物光栅在受到应力变形后快速恢复原位。本发明采用市售的(邵氏A硬度65)硬度的高回弹、芳香-脂类TPU(aromaticpolyester type)，通过挤出成型成截面为内径约0.49毫米，外径约为1.5毫米的圆形截面的柔性套管。然后切成12毫米长度的空心圆柱体，作为Gr-s第一光栅的TPU套管118C-s。将制成的布拉格全氟高聚物光纤光栅小心插入到TPU套管(118C-s)中，使得8mm长度的光栅的Gr-s第一光栅部分位于该圆柱体套管中心。重复上述步骤，再加上新的另一个TPU空心圆柱体119C-T，使得8mm长度的光栅的Gr-T第二光栅部分位于新圆柱体套管119C-T中心位置。
选用另一个硬度的TPU材料制成基座120。基座TPU的硬度选为邵氏A硬度95，这个硬度虽然本身不如生物体如人体骨头硬，但是人体其它组织包覆在骨头上时候，整体的硬度应该和邵氏A硬度95的响应性质相差不太多。这样披覆邵氏A硬度65套管的布拉格高聚物光纤光栅与邵氏A硬度95的TPU基座的组合在某种程度上模拟生物的环境如胳膊，大腿等。该邵氏A硬度95的TPU基座原材料也是通过传统的挤出方法做成再切割成最终形状(厚度20mm,边长30mm的正方形片材)。当然这个TPU基座制作可以通过3D打印成型，直接打印在光纤上完成。
将该TPU套管118和119并排固定在120基座上，使得118和119的间距约为1.2mm，两个套管并通过极少量PU胶粘剂固定在邵氏A硬度95的TPU基座120上，形成双光栅检测系统套装。双光栅将会相互核对测试的参数，如温度。有别于其它方法这样测试的准确度更高。
五)探测器系统组装：
整个探测器系统按照图7全氟高聚物光纤光栅探测系统组装图进行组装。其中：
激光探询器(laser interrogator)系统是能够发送和接收光纤光栅反射回的光波信号及信号处理。光栅套管118C-s和119C-T并排相距约1.2mm。这样的距离使得在工作中光栅/套管118C-s在受力F变形时候，不会对光栅/套管119C-T产生接触、干扰，同时117光栅Gr-T的温度又足够能表明与116光栅Gr-s感受的一样。
六)探测器系统调试：
受力拉伸步进扫描
在恒温环境里将温度设定在23℃。激光探询器(laser interrogator)系统首先发出一个宽的光脉冲信号注入光纤。入射宽光脉冲图谱里的相对窄脉冲光，波长lGr-s＝2heff*LGr-s将会被光栅Gr-s反射回来被探测器系统接收并信号处理。光栅Gr-s经受到施加的外力F(N)后，其螺距Λ-s将会从其原始数值480nm因为光栅形变而产生拉伸变化，该变化反映在反射波长lGr-s变化，进而造成反射光波长位移，DlGr-s。将施加的外力F进行步增，每隔5N，测量产生的DlGr-s。反射光波长位移与施加外力的关系是个线性关系，如图8本发明高聚物光纤光栅的外加力-反射波长位移关系所示。
本实例中，其函数关系符合：△λGr-s＝0.0574F，R2＝0.9982。
温度步进扫描：
在F外加的外力为零的情况下，对双光栅进行温度步进扫描，范围是15–50℃，以模拟仿生机器人等设备的工作环境，扫描间隔为5℃。两个光栅将会根据环境温度的变化，其光栅螺距Λ-s，Λ-T会各自发生变化，从而导致光栅反射光的位移，△λGr-s，△λGr-T。
本实例中，如图9本发明高聚物光纤光栅的温度-反射波长位移关系所示，光栅随温度变化的函数关系符合：
△λGr-s＝0.0213T–0.4682，R2＝0.9943。
△λGr-T＝0.0220F–0.4907，R2＝0.9969。
探测器应用：
本发明的高聚物布拉格双光栅探测系统应用范围广泛，适用于同时测量温度，和外施加的力的参数测量。特别适用于狭小，快速灵敏，柔韧性要求高的例如仿生机器人，智慧医疗，精密电子，航天，智能汽车等应用中。
本实例中，在一定温度环境下对Gr-s光栅施加的某个特定外力F后，系统测得的Gr-s光栅反射光总位移是2.5nm。系统同时测得Gr-T光栅反射光位移是0.3nm。这时按照Gr-T光栅反射光位移与环境温度T的线性关系，探测系统计算出该环境温度为35.94℃。对于Gr-s光栅来说，温度和外力的影响是线性叠加和对应的。也就是说，温度对Gr-s光栅反射光位移的贡献也是0.3nm。以此计算出外力对Gr-s光栅反射光位移的贡献是2.2nm(＝2.5–0.3)，相对应外施加的力F约38N。
本发明是通过全氟，多层，渐变折光指数(GI)高聚物光纤为例证。也可以通过其它GI高聚物光纤实现而不违反本发明宗旨。本发明中的套管和基座材料是以TPU为例证的。它们也可以通过使用其它弹性体如硅橡胶，三元乙丙橡胶，天然橡胶等实现本发明。
上述仅为本发明的优选具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (10)
1.一种高聚物双光纤光栅微检测系统，其特征在于，包括：
基座；
高聚物光纤；
第一光栅与第二光栅；
第一套管与第二套管；
其中，所述第一套光与第二套管并排固定于基座上，第一光栅与第二光栅刻写与高聚物光纤的芯体上，所述高聚物光纤插入到第一套管与第二套管中，使得第一光栅位于第一套管的中心位置，第二光栅位于第二套管的中心位置。
2.根据权利要求1所述的一种高聚物双光纤光栅微检测系统，其特征在于，所述第一光栅的螺距Λ-s为460-500nm，长度为6-10mm，第二光栅的螺距Λ-T为510-530nm，长度为6-10mm，所述第一光栅与第二光栅的有效折光指数ηeff均为1.3481。
3.根据权利要求1所述的一种高聚物双光纤光栅微检测系统，其特征在于，所述第一光栅与第二光栅在高聚物光纤上的轴向相距14-16mm，第一光栅与第二光栅并排相距1-1.4mm。
4.根据权利要求1所述的一种高聚物双光纤光栅微检测系统，其特征在于，所述高聚物光纤由全氟高聚物材料制成，所述第一套管与第二套管的材料包括硅橡胶，三元乙丙橡胶，天然橡胶或TPU，第一套管与第二套管的硬度为邵氏A硬度25-68，所述基座的硬度为邵氏A硬度95-105。
5.根据权利要求1所述的一种高聚物双光纤光栅微检测系统，其特征在于，所述高聚物光纤的芯体包括：第一芯层、第二芯层、第三芯层、第四芯层，第五芯层和外皮层依次环状包覆形成，并且所述第一芯层、第二芯层、第三芯层、第四芯层，第五芯层和外皮层的折射率依次降低。
6.根据权利要求5所述的一种高聚物双光纤光栅微检测系统，其特征在于，所述第一芯层的折光指数为1.3560，所述第二芯层的折光指数为1.3532，所述第三芯层的折光指数为1.3500，所述第四芯层的折光指数为1.3473，所述第五芯层的折光指数为1.3451，外皮层的折光指数为1.3370。
7.根据权利要求1所述的一种高聚物双光纤光栅微检测系统，其特征在于，所述检测系统还包括激光探询器，用于发送和接收光纤光栅反射回的光波信号及信号处理。
8.一种如权利要求1所述的高聚物双光纤光栅微检测系统的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(一)高聚物光纤：
S1：制备六种不同折光指数的共聚物；
S101：往反应釜中加入单体M8A：全氟-2-甲基-4，5-甲醚基-1，3-二氧戊环烷、单体M8C：全氟-2-甲基-4-乙基-1，3-二氧戊环烷、引发剂；
S102：搅拌并通入氮气进行清洗，清洗完成后反应釜减压加热进行聚合反应；
S103：反应完成后将反应物用溶剂六氟苯溶解，接着用溶剂氯仿沉淀，反复溶解、沉淀后，获得共聚物F；
所述共聚物F根据不同比例的M8A单体和M8C单体获得共聚物F1、共聚物F2、共聚物F3、共聚物F4、共聚物F5、共聚物F6；
S2：将六种不同折光指数的共聚物注入共挤出系统上制作共聚物光纤；
(二)光栅刻写：
(1)在移动平台上对步骤(一)得到的高聚物光纤通过逐点式进行激光刻写光栅，激光束聚焦在高聚物光纤的芯层，在芯层横截面进行激光扫描；然后将光纤沿轴向位移螺距Λ-s，再进行下一个横截面的折光指数的激光刻写，重复上述位移与刻写步骤，得到了第一光栅；
(2)将光纤沿轴向位移螺距Λ-T，进行下一个横截面的折光指数的激光刻写，重复上述位移与刻写步骤，得到了第二光栅；第一光栅与第二光栅在高聚物光纤上的轴向相距14-16mm；将高聚物光纤在恒温箱内热处理并保温；
(3)通过挤出成型得到截面为圆形，柔性的第一套管与第二套管，将步骤(2)刻写完第一光栅与第二光栅的高聚物光纤插入第一套管中，使得第一光栅位于第一套管的中心位置；继续将高聚物光纤插入第二套管中，使得第二光栅位于第二套管的中心位置，将第一套管与第二套管并排固定在基座上，形成双光栅检测系统。
9.根据权利要器8所述的一种高聚物双光纤光栅微检测系统的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，第一光栅的螺距Λ-s为460-500nm，所述步骤(2)中，第二光栅的螺距Λ-T为510-530nm。
10.根据权利要器8所述的一种高聚物双光纤光栅微检测系统的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中恒温箱内的温度为70-90℃，保温时间24-26h。
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