CN114370894A - 一种光纤温湿度传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光纤温湿度传感器及其制备方法，该制备方法包括：将单模光纤、无芯光纤和布拉格光栅依次熔接；对熔接后的所述无芯光纤进行拉锥操作，形成光纤锥区；在所述光纤锥区包覆纳米纤维，所述纳米纤维通过对湿敏材料静电纺丝得到。本发明的光纤温湿度传感器的制备方法，相比于涂覆湿敏材料，纳米纤维可以稳定地包覆在光纤锥区表面，而且分布均匀，提高了光纤温湿度传感器的测量精度。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种光纤温湿度传感器及其制备方法。
背景技术
光纤传感技术是利用光纤中传输光的特性变化与外界参量的关系，对位移、折射率、转动、流量、水声、温度、加速度、电流、电压、电场、磁场、核辐射等近百种参量进行传感。由于光纤体积小、重量轻、能自由弯曲、适合远距离传输等优势，光纤传感器在传感器领域受到高度重视。
随着社会的快速发展，工农业、生物医学业的不断提升，人们对温湿度的控制已有更高的需求。特别是在机械制造和航空航天领域，对传感器的可靠稳定性要求愈加迫切。传统温湿度传感器制作麻烦，使用不方便，容易受到环境影响。同时，传统温湿度传感器存在精度低、响应时间长等缺点。
目前，大部分湿度传感器都是采用涂覆湿敏材料的方法，该方法会增加传感器的制作工艺复杂性，而且涂覆不均匀等问题会影响传感器测量的准确性，而且涂覆材料无法同时准确的感受环境属性的变化。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种光纤温湿度传感器及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种光纤温湿度传感器的制备方法，包括：
a：将单模光纤、无芯光纤和布拉格光栅依次熔接；
b：对熔接后的所述无芯光纤进行拉锥操作，形成光纤锥区；
c：在所述光纤锥区包覆纳米纤维，所述纳米纤维通过对湿敏材料静电纺丝得到。
在本发明的一个实施例中，所述布拉格光栅的中心波长为1560nm。
在本发明的一个实施例中，在步骤b中，使用光纤熔接机拉锥模式对熔接后的所述无芯光纤进行拉锥操作，所述拉锥操作的工艺参数为：放电强度60bits，放电时间190μs，推进速度0.75mm/s。
在本发明的一个实施例中，所述光纤锥区的直径为30-35μm。
在本发明的一个实施例中，所述湿敏材料为聚乙烯醇与羟甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羧甲基纤维素、羧乙基纤维素、羧丙基纤维素中任一种组成的混合材料。
在本发明的一个实施例中，所述纳米纤维的直径为250-400nm。
在本发明的一个实施例中，步骤c包括：
c1：配置湿敏材料溶液；
c2：将拉锥后的无芯光纤固定在金属板上，放置在静电纺丝机中；
c3：使用注射器吸取湿敏材料溶液，将注射器安装在静电纺丝机的推进装置上，注射器距离金属板15-18cm；
c4：将注射器对准所述光纤锥区，进行静电纺丝，其中，电场强度为18.5KV，推料速度为0.0015mm/s，推料时间为4min。
本发明还提供了一种光纤温湿度传感器，包括依次熔接的单模光纤、无芯光纤和布拉格光栅，其中，
所述无芯光纤的光纤锥区包覆有纳米纤维，所述纳米纤维通过对湿敏材料静电纺丝得到，所述湿敏材料为聚乙烯醇与羟甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羧甲基纤维素、羧乙基纤维素、羧丙基纤维素中任一种组成的混合材料，所述光纤温湿度传感器采用如上述任一项实施例所述的制备方法制备得到。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明的光纤温湿度传感器的制备方法，利用静电纺丝技术在所述光纤锥区包覆一层纳米纤维膜的湿敏材料，相比于涂覆湿敏材料，纳米纤维可以稳定地包覆在光纤锥区表面，而且分布均匀，提高了光纤温湿度传感器的测量精度；
2.本发明的光纤温湿度传感器，结构简单、制备工艺简单，成本较低。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种光纤温湿度传感器的制备流程图；
图2是本发明实施例提供的光纤锥区的光学显微镜照片；
图3是本发明实施例提供的静电纺丝的工艺示意图；
图4是本发明实施例提供的光纤锥区的电子显微镜照片；
图5是本发明实施例提供的纳米纤维的电子显微镜照片；
图6是本发明实施例提供的光纤温湿度传感器的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的传感器温湿度检测系统的结构示意图。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种光纤温湿度传感器及其制备方法进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
实施例一
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种光纤温湿度传感器的制备流程图，如图所示，该制备方法，包括：
a：将单模光纤、无芯光纤和布拉格光栅依次熔接；
b：对熔接后的所述无芯光纤进行拉锥操作，形成光纤锥区；
c：在所述光纤锥区包覆纳米纤维，所述纳米纤维通过对湿敏材料静电纺丝得到。
在本实施例中，布拉格光栅的中心波长为1560nm。
具体地，在步骤a中，用米勒钳剥掉单模光纤表面的涂覆层，使用光纤熔接机将单模光纤(纤芯直径为10μm，包层直径125μm)、长度为5mm的无芯光纤(直径为125μm)、布拉格光栅(中心波长为1560nm，反射率大于90％)依次熔接在一起。
进一步地，在步骤b中，使用光纤熔接机拉锥模式对熔接后的无芯光纤进行拉锥操作，其中，拉锥操作的工艺参数为：放电强度60bits，放电时间190μs，推进速度0.75mm/s。
可选地，所述光纤锥区的直径为30-35μm。请参见图2，图2是本发明实施例提供的光纤锥区的光学显微镜照片，如图2所示，本实施例的光纤锥区的直径为31.36μm。
在本实施例中，可选地，湿敏材料为聚乙烯醇与羟甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羧甲基纤维素、羧乙基纤维素、羧丙基纤维素中任一种组成的混合材料。
需要说明的是湿敏材料还可以选取其他现有的湿敏材料，在此不做限制。
请参见图3，图3是本发明实施例提供的静电纺丝的工艺示意图，在本实施例中，步骤c包括：
c1：配置湿敏材料溶液；
在本实施例中，选取聚乙烯醇(PVA)与羧甲基纤维素(CMC)混合材料作为湿敏材料，具体地，将1.6gPVA和0.2gCMC混合加入至20ml去离子水中，然后将混合溶液使用磁力搅拌机搅拌1小时，直到溶质完全溶解，得到PVA/CMC复合胶体溶液。
c2：将拉锥后的无芯光纤固定在金属板上，放置在静电纺丝机中；
在本实施例中，使用夹具将拉锥后的无芯光纤固定在金属板上。
c3：使用注射器吸取湿敏材料溶液，将注射器安装在静电纺丝机的推进装置上，注射器距离金属板15-18cm；
在本实施例中，注射器距离金属板15cm。
c4：将注射器对准所述光纤锥区，进行静电纺丝，完成光纤温湿度传感器的制备，其中，电场强度为18.5KV，推料速度为0.0015mm/s，推料时间为4min。
在18.5KV强电场作用下，PVA/CMC复合胶体溶液喷射形成的PVA/CMC纳米纤维包覆在光纤锥区表面。之后，将制备好的光纤温湿度传感器放在干燥箱中干燥12小时，使得喷射的PVA/CMC纳米纤维能够稳定的附着在光纤锥区表面。请参见图4，图4是本发明实施例提供的光纤锥区的电子显微镜照片，从图中可以看出PVA/CMC纳米纤维密集牢靠的依附在光纤锥区的表面，整个光纤上的纳米纤维分布均匀。光纤锥区的直径为50.72μm，说明纳米纤维形成的纳米纤维膜的厚度约为10μm。
请参见图5，图5是本发明实施例提供的纳米纤维的电子显微镜照片，如图所示，在本实施例中，纳米纤维的直径为250-400nm，而且纳米纤维的表面光滑均匀，相互之间交叉重叠，大多数纤维呈直线状。
本实施例的光纤温湿度传感器的制备方法，利用静电纺丝技术在所述光纤锥区包覆一层纳米纤维膜的湿敏材料，相比于涂覆湿敏材料，纳米纤维可以稳定地包覆在光纤锥区表面，而且分布均匀，提高了光纤温湿度传感器的测量精度。
进一步地，请参见图6，图6是本发明实施例提供的光纤温湿度传感器的结构示意图。本实施例的光纤温湿度传感器采用上述实施例所述的制备方法制备得到。如图所示，本实施例的光纤温湿度传感器包括依次熔接的单模光纤1、无芯光纤2和布拉格光栅3，其中，无芯光纤2的光纤锥区包覆有纳米纤维4，所述纳米纤维4通过对湿敏材料静电纺丝得到。
可选地，湿敏材料为聚乙烯醇与羟甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羧甲基纤维素、羧乙基纤维素、羧丙基纤维素中任一种组成的混合材料。
本实施例的光纤温湿度传感器，结构简单、制备工艺简单，成本较低。
请参见图7，图7是本发明实施例提供的传感器温湿度检测系统的结构示意图。如图所示，该系统包括宽带光源5、光谱分析仪6、环形器7、光纤温湿度传感器8和恒温恒湿箱9。宽带光源5、光谱分析仪6和光纤温湿度传感器8通过环形器7连接。光纤温湿度传感器8置于恒温恒湿箱9内，恒温恒湿箱9可以设定特定的温度和湿度。
以PVA与CMC混合材料作为湿敏材料的光纤温湿度传感器为例，对光纤温湿度传感器8的工作原理进行说明：
宽带光源5发出的光通过环形器7从单模光纤1传输到无芯光纤2的光纤锥区，由于无芯光纤2的模场直径发生了变化，一部分传输光将产生损耗，经过光纤锥区的入射光进入布拉格光栅3的栅区后，满足Bragg条件的光将被布拉格光栅3反射回来并再次经过无芯光纤2的光纤锥区，最后，反射光通过环形器7传输到光谱分析仪6。吸附水蒸气后，纳米纤维膜的折射率和厚度会发生相应的改变，引起光信号的传输损耗变化。布拉格光栅3用作反射滤光片，传输过来的光将由布拉格光栅3反射并再次经过布拉格光栅3，最后再通过环形器7传输到光谱分析仪6，通过光谱分析仪6观察反射光信号的变化即可实现湿度测量。由于普通布拉格光栅3的波长对湿度变化不敏感，温度的改变会引起布拉格光栅3中心波长发生位移，因此可以通过监测布拉格光栅3的中心波长的变化来感测温度信息。
本实施例的光纤温湿度传感器结构简单，对温湿度响应灵敏。采用静电纺丝的方法在光纤锥区制造了纳米纤维膜，通过监测传感器反射光谱的峰值功率和中心波长变化，可以获取传感器所处环境的温度和湿度信息。值得说明的是，PVA和CMC的复合纤维是一种良好的湿敏材料，可用于制作光纤湿度传感器或其他类型的湿度传感器。而且采用静电纺丝制备纳米纤维材料，相比于传统的湿敏材料涂覆的方法，可以非常方便牢固的将湿敏材料固定于光纤锥区表面。
应当说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种光纤温湿度传感器的制备方法，其特征在于，包括：
a：将单模光纤、无芯光纤和布拉格光栅依次熔接；
b：对熔接后的所述无芯光纤进行拉锥操作，形成光纤锥区；
c：在所述光纤锥区包覆纳米纤维，所述纳米纤维通过对湿敏材料静电纺丝得到。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述布拉格光栅的中心波长为1560nm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤b中，使用光纤熔接机拉锥模式对熔接后的所述无芯光纤进行拉锥操作，所述拉锥操作的工艺参数为：放电强度60bits，放电时间190μs，推进速度0.75mm/s。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光纤锥区的直径为30-35μm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述湿敏材料为聚乙烯醇与羟甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羧甲基纤维素、羧乙基纤维素、羧丙基纤维素中任一种组成的混合材料。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米纤维的直径为250-400nm。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤c包括：
c1：配置湿敏材料溶液；
c2：将拉锥后的无芯光纤固定在金属板上，放置在静电纺丝机中；
c3：使用注射器吸取湿敏材料溶液，将注射器安装在静电纺丝机的推进装置上，注射器距离金属板15-18cm；
c4：将注射器对准所述光纤锥区，进行静电纺丝，其中，电场强度为18.5KV，推料速度为0.0015mm/s，推料时间为4min。
8.一种光纤温湿度传感器，其特征在于，包括依次熔接的单模光纤、无芯光纤和布拉格光栅，其中，
所述无芯光纤的光纤锥区包覆有纳米纤维，所述纳米纤维通过对湿敏材料静电纺丝得到，所述湿敏材料为聚乙烯醇与羟甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羧甲基纤维素、羧乙基纤维素、羧丙基纤维素中任一种组成的混合材料，所述光纤温湿度传感器采用如权利要求1-7任一项所述的制备方法制备得到。
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|---|---|---|---|---|
| CN114966952A (zh) * | 2022-06-21 | 2022-08-30 | 广东工业大学 | 一种长周期光纤光栅制备方法 |
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| CN103293131A (zh) * | 2013-05-28 | 2013-09-11 | 暨南大学 | 一种响应快速锥形微纳光纤湿度传感器及其制备方法 |
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2020
- 2020-10-16 CN CN202011109816.XA patent/CN114370894B/zh active Active
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