CN113701915B - 一种内嵌空气泡的聚合物填充型光纤温度传感器制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种内嵌空气泡的聚合物填充型光纤温度传感器制备方法，选择毛细管和单模光纤，使用切刀将毛细管和单模光纤的端面切割平整；将单模光纤的涂敷层剥去，把单模光纤用酒精擦拭干净，把去除了涂敷层的单模光纤从毛细管左侧插入；取一滴PDMS胶滴在毛细管和单模光纤接口处，通过毛细管力的作用沿缝隙流向SMF的端面，在SMF端面上形成胶腔；将单模光纤抽插一次但不要拔出，在光纤端面与胶腔之间形成一个气腔；将结构静置一段时间，等到光纤端面与气腔之间再次形成一个胶腔，形成复合F‑P腔后，放入温箱中进行固化，得到内嵌空气泡的聚合物填充型光纤温度传感器。本发明能够实现传感器结构对温度的高灵敏度响应，且该结构具有制作难度小，成本低的优势。

Description

一种内嵌空气泡的聚合物填充型光纤温度传感器制备方法
技术领域
本发明属于光纤传感器件制作与应用技术领域，特别涉及一种内嵌空气泡的聚合物填充型光纤温度传感器制备方法。
背景技术
近年来，光纤传感器因其抗电磁干扰、高灵敏度、高集成化、易网络化等独特优势，成为了传感领域研究的热点。但传统的全光纤传感结构由于光纤材料本身固有性质的限制，例如低热光系数、低热膨胀系数、高杨氏模量等，导致其对温度、倾角、电场等外界环境参数的改变不敏感。光纤微加工虽然可以提升光纤传感器的性能，但对于一些环境参量并不敏感，为满足各领域对于光纤传感的要求，人们开始尝试将一些对测量参数灵敏的材料添加在光纤上，通过测量参数与敏感材料反应，改变光在光波导中传输情况，通过对光纤中变化量的分析，实现了对测量参数的测量。将敏感材料与光纤微结构结合，不但提高了传感器的灵敏度，同时拓展了传感器的应用范围。
此外，基于光纤干涉原理制作的干涉型光纤传感器，如光纤法布里-帕罗干涉仪(FPI)，由于本身结构灵活多样、精度高、高反射率等优点被广泛应用在光纤传感检测领域。目前，利用基于全光纤的FPI和光纤光栅的传感器对温度的测量的技术已经非常成熟，但是其响应灵敏度也仅限于光纤水平，且制作成本较高，且工艺繁琐。此外，已知的增敏材料与光纤微结构复合制成的光纤传感器结构，虽然显著提高了光纤温度传感器的灵敏度，但制作难度大且成本极高。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种内嵌空气泡的聚合物填充型光纤温度传感器制备方法，在一段毛细管内部使用PDMS胶制作密闭的复合F-P腔，通过利用固化后PDMS有较高的热膨胀系数以及复合腔的光谱叠加，能够实现传感器结构对温度的高灵敏度响应，且该结构具有制作难度小，成本低的优势。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种内嵌空气泡的聚合物填充型光纤温度传感器制备方法，包括以下步骤；
步骤一：选择一段毛细管和一段单模光纤，使用切刀将毛细管和单模光纤的端面切割平整；
步骤二：将单模光纤一端的涂敷层剥去，并将剥去涂敷层的一端插入至毛细管中；
步骤三：将配好的PDMS胶，静置一段时间，待气泡完全消失后，取一滴PDMS胶滴在毛细管和单模光纤接口处，通过毛细管力的作用沿缝隙流向SMF的端面，在SMF端面上形成胶腔；
步骤四：将单模光纤抽插一次但不拔出，在这一过程中，通过压缩毛细管中的空气，在光纤端面与胶腔之间形成一个气腔；
步骤五：将结构静置一段时间，让滴在毛细管和单模光纤接口处的PDMS胶，通过毛细管力继续沿缝隙流向SMF的端面，等到光纤端面与气腔之间再次形成一个胶腔，形成复合F-P腔后，放入温箱中进行固化，得到内嵌空气泡的聚合物填充型光纤温度传感器。
所述毛细管长10mm-15mm，外径250μm，内径150μm，单模光纤为Corning SNF-28,内径8.2μm，包层直径125μm，切刀为FITEL S326。
所述步骤二单模光纤从毛细管左侧插入长度约为5mm。
所述步骤四制作气腔时，单模光纤只手工抽插一次，为保证这一操作必然形成气腔，在抽出时，静置一段时间，再缓慢插回，这样可以通过压缩毛细管中的空气形成空气腔，这一过程在5秒内完成，避免多次抽插，否则结构中可能出现多个气腔。
所述步骤五固化过程中，第二个胶腔与单模光纤端面要紧密贴合。
所述步骤五在静置形成第二个胶腔时，时间为5min。
所述步骤五温箱中保持在80℃后，持续加热10h进行固化。
本发明的有益效果：
本发明将温敏材料与光纤微结构相结合，打破光纤材料自身固有性质传感器温度灵敏度的限制，制备出一种高性能的光纤温度传感器结构。本发明是在一段毛细管内部使用PDMS胶进行填充制作复合的密闭F-P腔。由于PDMS胶的热膨胀系数较高，在外界环境温度发生变化时，传感器的干涉光谱图会随外界环境温度的变化而发生明显移动。因此与全光纤结构和光纤光栅相比，该传感器的温度灵敏度明显提高，且最重要的是，该结构制作难度小，成本低。
本发明的密闭F-P腔是使用温敏材料PDMS胶加热固化成的，突破了温度灵敏度局限于全光纤结构的问题；
本发明中PDMS胶在-55-200℃的温度范围内具有良好的稳定性，拓展了敏感材料与光纤微结构复合的温度测量范围；
本发明制成的传感器，简化了制作复合F-P腔的工艺，又提高了传感器的温度灵敏度。
附图说明
图1是毛细管和单模光纤用切刀切断示意图。
图2是将单模光纤去除涂敷层，并把单模光纤插入毛细管的示意图。
图3是将PDMS胶滴在毛细管和单模光纤接口处，在SMF端面上形成胶腔的示意图。
图4是将单模光纤抽插后再光纤端面与胶腔之间形成一个气腔的示意图。
图5是将结构静置一段时间，在端面与气腔之间形成第二个胶腔后，经过固化完成的传感结构示意图。
图6是毛细管内部PDMS胶形成的密闭F-P腔在显微镜下图像。
图7是传感器结构的原理图。
图8是测量实验装置示意图。
图9是传感器对温度的响应光谱图。
图10是传感器对温度响应光谱的频谱分析图。
图11是传感器波长漂移随温度变化的线性拟合曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1-图11所示：传感器制备的技术方案包括以下五个步骤：
步骤一：选择一段长10mm-15mm的毛细管(外径250μm且内径150μm)和一段单模光纤(Corning SNF-28,内径8.2μm，包层直径125μm)，使用切刀(FITEL S326)将毛细管和单模光纤的端面切割平整，如图1所示；
步骤二：将单模光纤的涂敷层剥去，把单模光纤用酒精擦拭干净，把去除了涂敷层的单模光纤从毛细管左侧插入长度约为5mm的距离，如图2所示；
步骤三：将PDMS胶按照比例混合均匀后，静置一段时间，待气泡完全消失后，取一滴PDMS胶滴在毛细管和单模光纤接口处，通过毛细管力的作用沿缝隙流向SMF的端面(如图7中的反射面1)，在SMF端面上形成胶腔，如图3所示；
步骤四：将单模光纤抽插一次但不要拔出，在光纤端面与胶腔之间形成一个气腔，如图4所示；
步骤五：将结构静置一段时间，等到光纤端面与气腔之间再次形成一个胶腔，形成复合F-P腔后，放入温箱中，把温度保持在80℃后，持续加热10h进行固化，如图5所示；
本发明提出一种使用PDMS材料在毛细管中填充制作复合密闭F-P腔的制备方法。所用单模光纤为标准普通单模光纤，制作密闭EFPI的材料是高透明度，高强度的PDMS胶(道康宁184)，实验室使用的解调设备是SM125解调仪。
全光纤型的传感器温度灵敏度受到光纤材料本身的限制，因此，本发明通过复合敏感材料PDMS可以有效提高光纤F-P腔的温度灵敏度。将结构在毛细管中完成封装，可以利用毛细管保护形成的复合F-P腔，保证传感器更加稳定、牢固；本发明所制备的光纤温度传感器结构简单、制作容易，成本极其低廉，且光谱响应特性良好。
本发明所提出的温度传感器的制备过程中特别需要注意的是：(1)插入毛细管的光纤端面作为第一个反射面，需要保证光纤端面的平整，故在单模光纤与毛细管接触时，应避免对光纤端面造成损伤；(2)在制作气腔时，单模光纤只抽插一次，这一过程大约在5秒内完成，避免多次抽插形成多个气泡；(3)在静置形成第二个胶腔时，时间不要太短，以免胶腔因为太短而无法发挥作用；(4)在固化过程中，要注意第二个胶腔与单模光纤端面要紧密贴合。
本发明解决的问题：
第一，打破了光纤材质本身的限制，使光纤FPI传感器结构的灵敏度有了较大程度的提高；第二，简化了温敏材料与传感微结构复合后的封装流程，解决了这类传感器结构的封装难题；第三，优化了温度传感器的制作工艺，且降低了制作成本，解决了高灵敏度光纤温度传感器制作工艺繁琐、成本高的难题。
传感器工作原理：
传感器的工作基本原理是当温度发生变化时，热敏材料PDMS具有高的热膨胀系数和热光系数，复合F-P腔的腔长发生变化，使光程差发生变化，进而影响到干涉光谱，使复合F-P腔的光谱谱线发生漂移。
本发明制备的光纤温度传感器，是在一段毛细管内通过加热对温敏材料PDMS胶进行固化后形成了复合F-P腔。该传感器结构有四个反射面，反射面1是光纤端面与PDMS胶的界面M1，反射面2是界面M2，反射面3是界面M3。反射面4是界面M4.入射光经过反射面1时发生了反射，部分光透过反射面1继续向前传播，在经过折射率约为1.41，腔长为46.99μm后，在反射面2处再次发生反射，其中一部分光透过折射率为1，腔长为112.06μm的空气腔，在反射面3处发生反射。又有一部分光透过折射率为1.41，腔长为66.88μm的胶腔，在M4处发生反射。光路图如图7所示。光经过传感器结构形成的反射，由于光程的差异，从而发生了相位延迟，因此产生了多光束干涉。干涉光强近似表示为：
Figure BDA0003246007610000071
其中，I为干涉光强；A1、A2、A3和A2分别是反射面1、反射面2、反射面3和反射4的入射光振幅；
Figure BDA0003246007610000072
为界面M1和M2之间的这段胶腔的相位差，/>
Figure BDA0003246007610000073
是界面M1和M3之间胶腔和空气腔组成的复合腔的相位差，/>
Figure BDA0003246007610000074
是界面M1和M4两端胶腔和空气腔组成的复合腔的相位差，/>
Figure BDA0003246007610000075
是空气腔的相位差，/>
Figure BDA0003246007610000076
是界面M2和M4之间这段空气腔与胶腔组成的复合腔的相位差，/>
Figure BDA0003246007610000077
是界面M3和M4之间的这段胶腔的相位差。可用下列式子表示
Figure BDA0003246007610000081
式(2)中，L1和L3分别是左侧第一个胶腔和左侧第二个胶腔的腔长，折射率都为n1，L2和n2是胶腔和空气腔组成的复合腔的腔长和折射率。
密闭EFPI谱中的自由光谱范围(FSR)可以表示为：
Figure BDA0003246007610000082
传感器测量装置如图8所示，测量精度为1pm的SM125解调仪一端连接计算机，一端连接传感器。将传感器至于测温环境下，当温度发生变化时，可以通过解调仪在计算机上获取光谱变化。
当温度升高时，密闭EFPI的腔长发生变化，干涉光谱谱线向长波方向漂移，即红移。传感器对温度的响应光谱如图9所示。
由图10所示，本发明提出的传感器主要是M1M2、M1M3、M1M4这三个腔反射光强最强。由于I1>I2>I3>I4，其它腔光强度较小，在频谱图上峰值较小，
通过对传感器在30-40℃的波长随温度变化进行线性拟合，得到传感器的温度灵敏度为5.85nm/℃，远高于全光纤结构的传感器的响应灵敏度，拟合曲线如图11所示。

Claims (7)

1.一种内嵌空气泡的聚合物填充型光纤温度传感器制备方法，其特征在于，包括以下步骤；
步骤一：选择一段毛细管和一段单模光纤，使用切刀将毛细管和单模光纤的端面切割平整；
步骤二：将单模光纤一端的涂敷层剥去，并将剥去涂敷层的一端插入至毛细管中；
步骤三：将配好的PDMS胶，静置一段时间，待气泡完全消失后，取一滴PDMS胶滴在毛细管和单模光纤接口处，通过毛细管力的作用沿缝隙流向SMF的端面，在SMF端面上形成胶腔；
步骤四：将单模光纤抽插一次但不拔出，在这一过程中，通过压缩毛细管中的空气，在光纤端面与胶腔之间形成一个气腔；
步骤五：将结构静置一段时间，让滴在毛细管和单模光纤接口处的PDMS胶，通过毛细管力继续沿缝隙流向SMF的端面，等到光纤端面与气腔之间再次形成一个胶腔，形成复合F-P腔后，放入温箱中进行固化，得到内嵌空气泡的聚合物填充型光纤温度传感器。
2.根据权利要求1所述的一种内嵌空气泡的聚合物填充型光纤温度传感器制备方法，其特征在于，所述毛细管长10mm-15mm，外径250μm，内径150μm，单模光纤为Corning SNF-28,内径8.2μm，包层直径125μm，切刀为FITEL S326。
3.根据权利要求1所述的一种内嵌空气泡的聚合物填充型光纤温度传感器制备方法，其特征在于，所述步骤二单模光纤从毛细管左侧插入长度约为5mm。
4.根据权利要求1所述的一种内嵌空气泡的聚合物填充型光纤温度传感器制备方法，其特征在于，所述步骤四制作气腔时，单模光纤只手工抽插一次，为保证这一操作必然形成气腔，在抽出时，静置一段时间，再缓慢插回，这样可以通过压缩毛细管中的空气形成空气腔，这一过程在5秒内完成，避免多次抽插，否则结构中可能出现多个气腔。
5.根据权利要求1所述的一种内嵌空气泡的聚合物填充型光纤温度传感器制备方法，其特征在于，所述步骤五固化过程中，第二个胶腔与单模光纤端面要紧密贴合。
6.根据权利要求1所述的一种内嵌空气泡的聚合物填充型光纤温度传感器制备方法，其特征在于，所述步骤五在静置形成第二个胶腔时，时间为5min。
7.根据权利要求1所述的一种内嵌空气泡的聚合物填充型光纤温度传感器制备方法，其特征在于，所述步骤五温箱中保持在80℃后，持续加热10h进行固化。
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