CN114509193A - 一种栅区成膜型光纤布拉格光栅传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种栅区成膜型光纤布拉格光栅传感器及其制作方法，包括上、下段含有聚酰亚胺涂覆层的第一光纤段，中间段剥去聚酰亚胺涂覆层的第二光纤段，对所述第二光纤段刻写光栅形成栅区，其特征在于，还包括与第二光纤段热固化结合并覆盖在栅区的聚酰亚胺薄膜。本发明通过设置有与第二光纤段热固化结合并覆盖在栅区的聚酰亚胺薄膜来保护栅区，使得光纤布拉格光栅传感器栅区最大抗拉力增加至原来的5‑6倍，彻底防止了栅区断裂事故的发生，极大提高了光纤布拉格光栅传感器栅区抗拉力范围。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，具体为一种栅区成膜型光纤布拉格光栅传感器及其制作方法。
背景技术
尽管电气传感器在近几十年以来一直作为测量物理量如温湿度、应变、振动、电流、电压等的标准器件在环境监测、结构检测、工业生产、医学诊断、生物工程等领域发挥着它的作用，但作为电气化设备，电气传感器有着它固有的缺陷，如易受电磁干扰、难以在高温高湿环境下工作等。上述这些与生俱来的缺陷使得电气传感器在某些特殊的应用场合如油气检测环境、强电磁环境、易燃易爆环境中的使用变得很具挑战，甚至完全不适用。
光纤传感器利用光束代替电流，使用标准光纤代替铜线作为传输介质，具有抗电磁能力强、绝缘等优点，这些优点使得光纤传感器在上述特殊的应用场合中能完全胜任。而光纤布拉格光栅(FBG)传感器作为使用频率最高、范围最广的一种光纤传感器，因具有体积小、精度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、多参量同时测量等优点被应用于建筑、石化、电力、航天航空等领域。然而，常规的FBG传感器的栅区通常是光纤载氢处理后剥去涂覆层再刻写光栅，没有涂覆层保护的栅区极易被拉断。目前多数做法是采用在栅区进行二次涂覆的方法来保护栅区，尽管此方法能一定程度提高栅区抗拉力水平，但栅区的抗拉力能力依然很有限，而且经过二次涂覆后的栅区依然会被拉断，治标不治本，这使得FBG传感器测量温度、应变、振动等物理量的范围大大缩小，极大影响着FBG传感器的应用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种栅区最大抗拉力能够增加至原来的5-6倍，且栅区不断裂的栅区成膜型光纤布拉格光栅传感器及其制作方法，彻底防止了栅区断裂事故的发生，极大提高了光纤布拉格光栅传感器栅区抗拉力范围。
本发明提供了一种栅区成膜型光纤布拉格光栅传感器，包括上、下段含有聚酰亚胺涂覆层的第一光纤段，中间段剥去聚酰亚胺涂覆层的第二光纤段，对所述第二光纤段刻写光栅形成栅区，还包括与第二光纤段热固化结合并覆盖在栅区的聚酰亚胺薄膜。
优选地，所述中间段剥去聚酰亚胺涂覆层的第二光纤段的剥纤长度为12-15mm。
优选地，所述聚酰亚胺薄膜的长度大于第二光纤段的剥纤长度，宽度宽于第一光纤段的直径，厚度为百微米量级。
本发明还提供了上述栅区成膜型光纤布拉格光栅传感器的制作方法，包括如下步骤：
S1、将单模光纤进行载氢处理、光栅刻写过程以及对光纤光栅进行后续处理，测试和挑选得到裸栅区型光纤布拉格光栅传感器；
S2、固定裸栅区型光纤布拉格光栅传感器两端，将聚酰胺酸溶液滴入栅区；
S3、把上述整套装置送入烘烤箱中进行热固化，其目的在于将聚酰亚胺薄膜覆盖在栅区；
S4、再将取出的整套装置进行水浴后对聚酰亚胺薄膜进行脱膜操作；
S5、对栅区的聚酰亚胺薄膜进行修剪，得到栅区成膜型光纤布拉格光栅传感器。
优选地，所述步骤S1包括如下步骤：
S1-1、将单模光纤进行载氢处理：将光纤置于压力为8-12Mpa的氢气罐内，并保持12-16天，在此过程氢分子会逐渐扩散到光纤的包层和纤芯中；
S1-2、光栅刻写过程：将载氢后的光纤局部剥去聚酰亚胺涂覆层，再把光纤放置在相位掩膜板后，利用准分子激光器发出激光，激光通过扩束镜和聚光镜片作用后到照射到相位掩膜板，通过掩膜板后，形成衍射光束，照射到光纤纤芯，纤芯被照部分中的氢分子立即与锗发生化学反应形成Ge-OH键和Ge-H键，从而使该部分的折射率发生永久性的增加，此即为光纤光栅刻写过程；
S1-3、对光纤光栅进行后续处理：放入温度箱内在100-140℃保持22-26小时退火操作，用于排净载氢时在光纤内留存的氢气，使光纤光栅光学性能稳定；
S1-4、测试和挑选：测试刻写好的光纤光栅，包括中心波长、反射率、3dB带宽、边模抑制比，挑选出高质量的光纤光栅得到裸栅区型光纤布拉格光栅传感器。
优选地，所述步骤S3的热固化，包括如下步骤：
先将烘烤箱的温度从室温升至70-90℃维持0.5-1.5小时，再将温度升至为150-170℃维持0.5-1.5小时，再将温度升至210-230℃维持1-3小时，然后将烘烤箱关闭，让其自然冷却至室温。
优选地，所述步骤S4的水浴为沸水中煮30-50分钟。
优选地，所述步骤S5的修剪为聚酰亚胺薄膜长度大于第二光纤段的剥纤长度，宽度宽于第一光纤段的直径，厚度为百微米量级。
优选地，所述栅区成膜型光纤布拉格光栅传感器栅区最大抗拉力增加至原来的5-6倍。
优选地，所述栅区成膜型光纤布拉格光栅传感器栅区不断裂。
本发明通过设置有与第二光纤段热固化结合并覆盖在栅区的聚酰亚胺薄膜来保护栅区，使得光纤布拉格光栅传感器栅区最大抗拉力增加至原来的5-6倍，彻底防止了栅区断裂事故的发生，极大提高了光纤布拉格光栅传感器栅区抗拉力范围。
在进一步的优选方案中还能获得更多的优点：例如，通过对聚酰亚胺薄膜进行修剪，调整长度大于第二光纤段的剥纤长度，宽度宽于第一光纤段的直径，厚度为百微米量级，能够更好的保护栅区，使得栅区的抗拉力得到了进一步的提高。
附图说明
图1为本发明实施例提供的栅区成膜型光纤布拉格光栅传感器的结构示意图；
图2为现有技术裸栅区型光纤布拉格光栅传感器的拉力与波长的实验数据和拟合直线图；
图3为现有技术栅区涂覆型光纤布拉格光栅传感器的拉力与波长的实验数据和拟合直线图；
图4为本发明实施例提供的栅区成膜型光纤布拉格光栅传感器的拉力与波长的实验数据和拟合直线图；
图5为现有技术裸栅区型光纤布拉格光栅传感器的光纤旋转型强度测试仪拉断FBG传感器的实验实物图；
图6为现有技术栅区涂覆型光纤布拉格光栅传感器的光纤旋转型强度测试仪拉断FBG传感器的实验实物图；
图7为本发明实施例提供的栅区成膜型光纤布拉格光栅传感器的光纤旋转型强度测试仪拉断FBG传感器的实验实物图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1是根据本发明实施例提供的栅区成膜型光纤布拉格光栅(FBG)传感器的结构示意图，包括包括上、下段含有聚酰亚胺涂覆层的第一光纤段1，中间段剥去聚酰亚胺涂覆层的第二光纤段2，所述中间段剥去聚酰亚胺涂覆层的第二光纤段的剥纤长度为12-15mm，对所述第二光纤段刻写光栅形成栅区3，还包括与第二光纤段2热固化结合并覆盖在栅区3的聚酰亚胺薄膜4。通过设置有与第二光纤段2热固化结合并覆盖在栅区的聚酰亚胺薄膜4，所述聚酰亚胺薄膜4的长度大于第二光纤段的剥纤长度，宽度宽于第一光纤段的直径，厚度为百微米量级，利用在栅区覆盖一层百微米量级的聚酰亚胺薄膜来保护栅区，使得光纤布拉格光栅传感器栅区最大抗拉力增加至原来的5.8倍，彻底防止了栅区断裂事故的发生，极大提高了光纤布拉格光栅传感器栅区抗拉力范围。
上述所提光纤布拉格光栅传感器(含裸栅区型FBG传感器、栅区涂覆型FBG传感器、栅区成膜型FBG传感器)的制作方法，包括如下步骤：
S1、将单模光纤进行载氢处理：具体做法是将光纤置于压力为8-12Mpa的氢气罐内，并保持14天左右，在此过程氢分子会逐渐扩散到光纤的包层和纤芯中；借助准分子激光器和相位掩膜板进行光栅刻写过程：具体做法是先将载氢后的光纤局部剥去聚酰亚胺涂覆层(剥纤长度为12-15mm)，再把光纤放置在相位掩膜板后(剥纤处正对相位掩膜板)，利用准分子激光器发出激光，激光通过扩束镜和聚光镜片作用后到照射到相位掩膜板，通过掩膜板后，形成衍射光束，照射到光纤纤芯，纤芯被照部分中的氢分子立即与锗发生化学反应形成Ge-OH键和Ge-H键，从而使该部分的折射率发生永久性的增加，此即为光纤光栅刻写过程；对光纤光栅进行后续处理：具体操作如下：1)放入温度箱内在120℃保持24小时退火操作，用于排净载氢时在光纤内留存的氢气，使光纤光栅光学性能稳定；2)对局部剥去涂覆层的光栅区域，分别进行以下2种处理：a.进行二次涂覆(涂覆层为聚酰亚胺薄层)，用于保护光纤光栅和提高其抗拉能力(栅区涂覆型)，b.栅区不做任何处理(裸栅区型)；测试刻写好的光纤光栅，包括中心波长、反射率、3dB带宽、边模抑制比，挑选出高质量的光纤光栅得到裸栅区型和栅区涂覆型两种光纤布拉格光栅传感器。
S2、用石英玻璃夹具把裸栅区型光纤布拉格光栅传感器两端固定在光滑玻璃上，再用针管将适量的聚酰胺酸溶液滴入栅区；
S3、把上述整套装置送入烘烤箱中进行烘烤，烘烤过程(也称热固化成膜工艺)为先将烘烤箱的温度从室温升至80℃维持1小时，再将温度升至为160℃维持1小时，然后将温度升至220℃维持2小时，最后将烘烤箱关闭，让其自然冷却至室温，烘烤箱降至室温取出整套装置，此时经过热固化成膜工艺后栅区已有聚酰亚胺薄膜覆盖(薄膜厚度由滴入的聚酰胺酸溶液的量控制)；
S4、再将取出的整套装置置于沸水中煮40分钟进行水浴后取出整套装置借助薄刮胡刀片对聚酰亚胺薄膜进行脱膜操作；
S5、再利用剪刀对栅区的聚酰亚胺薄膜进行修剪，修剪后聚酰亚胺薄膜聚酰亚胺薄膜长度大于第二光纤段2的剥纤长度，宽度宽于第一光纤段1的直径，厚度为百微米量级，得到栅区成膜型光纤布拉格光栅传感器。
借助光纤直线型拉力试验机分别对裸栅区型FBG传感器，栅区涂覆型FBG传感器和本发明实施例提供的栅区成膜型FBG传感器进行拉力与波长关系的测试，看裸栅区，栅区涂覆和本发明实施例提供的栅区成膜三种情况下的拉力灵敏度和拉力与波长的线性度变化如何，然后将三者的实验数据绘成图形进行对比分析。值得注意的是为防止裸栅区型FBG传感器被拉断，光纤直线型拉力试验机施加的最大拉力限制在5N。
如图2-4所示，分别为裸栅区型FBG传感器，栅区涂覆型FBG传感器和本发明实施例提供的栅区成膜型FBG传感器的拉力与波长的实验数据和拟合直线。从图2-4可以看出上述三种情况下，波长与拉力的线性度(R2)均非常接近1，裸栅区、栅区涂覆、本发明实施例提供的栅区成膜情况下FBG传感器波长与拉力线性度分别为0.9996、0.9993、0.9973，说明无论是栅区涂覆还是栅区成膜均不会太影响FBG传感器波长与拉力的线性度。但能发现的是栅区涂覆和栅区成膜情况下FBG传感器的拉力灵敏度略低于裸栅区的情况(裸栅区、栅区涂覆、栅区成膜情况下FBG传感器拉力敏感度分别1.3568nm/N、1.3299nm/N、1.0887nm/N)，说明栅区涂覆和栅区成膜均会使FBG传感器的拉力灵敏度有所下降。
再借助光纤旋转型强度测试仪分别对裸栅区型FBG传感器，栅区涂覆型FBG传感器和本发明实施例提供的栅区成膜型FBG传感器进行拉断测试，看裸栅区，栅区涂覆和本发明实施例提供的栅区成膜三种情况下的最大抗拉强度和最大抗拉力情况。值得注意的是光纤旋转型强度测试仪上显示的是压强单位kpsi(每千磅对每平方英寸的之比)，kpsi与Mpa(兆帕)之间的换算关系满足：1kpsi＝6.895Mpa。由于本发明中用到的单模光纤是聚酰亚胺涂覆，其直径约为155um(由此可以得出截面面积S)。在知道作用的压强P和截面面积S后可直接求出拉力F的大小，三者满足：F＝P·S。
如图5-7所示，分别为裸栅区型FBG传感器，栅区涂覆型FBG传感器和本发明实施例提供的栅区成膜型FBG传感器的光纤旋转型强度测试仪拉断FBG传感器的实验实物图。从图5-7可以看出上述三种情况下，裸栅区、栅区涂覆、本发明实施例提供的栅区成膜情况下FBG传感器最大抗拉强度分别为96kpsi、250kpsi、337kpsi，分别对应为661.92MPa、1723.75MPa、2323.62MPa，说明栅区涂覆和栅区成膜情况下均能增加FBG传感器栅区的抗拉强度(栅区涂覆情况下栅区抗拉强度增加至原来的2.6倍，栅区成膜情况下栅区抗拉强度增加至原来的3.5倍)。由于裸栅区、栅区涂覆、栅区成膜情况下FBG传感器的光纤直径分别为125um，134um和160um，对应的截面面积S分别为0.012×10-6m2，0.014×10-6m2和0.020×10- 6m2。因此，裸栅区、栅区涂覆、栅区成膜情况下FBG传感器最大抗拉力分别为7.94N、24.13N、46.47N，换句话说，栅区涂覆和栅区成膜情况下均能增加FBG传感器栅区的抗拉力(栅区涂覆情况下栅区最大抗拉力增加至原来的3.0倍，栅区成膜情况下栅区最大抗拉力增加至原来的5.8倍。然而，从图6可知栅区涂覆情况下的栅区依然发生断裂，说明尽管栅区涂覆能提高栅区的抗拉力水平，但始终无法避免栅区断裂事故的发生，治标不治本，这使得FBG传感器测量温度、应变、振动等物理量的范围大大缩小，极大影响着FBG传感器的应用范围。而相比栅区涂覆，栅区成膜既能极大提高栅区的抗拉力水平又能彻底防止栅区断裂事故的发生(见图7)，能从根源解决栅区断裂问题，极大提高了光纤布拉格光栅传感器栅区抗拉力范围。
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 (10)
1.一种栅区成膜型光纤布拉格光栅传感器，包括上、下段含有聚酰亚胺涂覆层的第一光纤段，中间段剥去聚酰亚胺涂覆层的第二光纤段，对所述第二光纤段刻写光栅形成栅区，其特征在于，还包括与第二光纤段热固化结合并覆盖在栅区的聚酰亚胺薄膜。
2.根据权利要求1所述的栅区成膜型光纤布拉格光栅传感器，其特征在于，所述中间段剥去聚酰亚胺涂覆层的第二光纤段的剥纤长度为12-15mm。
3.根据权利要求1或2所述的栅区成膜型光纤布拉格光栅传感器，其特征在于，所述聚酰亚胺薄膜的长度大于第二光纤段的剥纤长度，宽度宽于第一光纤段的直径，厚度为百微米量级。
4.如权利要求1-3任一项所述的栅区成膜型光纤布拉格光栅传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将单模光纤进行载氢处理、光栅刻写过程以及对光纤光栅进行后续处理，测试和挑选得到裸栅区型光纤布拉格光栅传感器；
S2、固定裸栅区型光纤布拉格光栅传感器两端，将聚酰胺酸溶液滴入栅区；
S3、把上述整套装置送入烘烤箱中进行热固化，其目的在于将聚酰亚胺薄膜覆盖在栅区；
S4、再将取出的整套装置进行水浴后对聚酰亚胺薄膜进行脱膜操作；
S5、对栅区的聚酰亚胺薄膜进行修剪，得到栅区成膜型光纤布拉格光栅传感器。
5.根据权利要求4所述的元栅区成膜型光纤布拉格光栅传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤S1包括如下步骤：
S1-1、将单模光纤进行载氢处理：将光纤置于压力为8-12Mpa的氢气罐内，并保持12-16天，在此过程氢分子会逐渐扩散到光纤的包层和纤芯中；
S1-2、光栅刻写过程：将载氢后的光纤局部剥去聚酰亚胺涂覆层，再把光纤放置在相位掩膜板后，利用准分子激光器发出激光，激光通过扩束镜和聚光镜片作用后到照射到相位掩膜板，通过掩膜板后，形成衍射光束，照射到光纤纤芯，此即为光纤光栅刻写过程；
S1-3、对光纤光栅进行后续处理：放入温度箱内在100-140℃保持22-26小时退火操作；
S1-4、测试和挑选：测试刻写好的光纤光栅，包括中心波长、反射率、3dB带宽、边模抑制比，挑选出高质量的光纤光栅得到裸栅区型光纤布拉格光栅传感器。
6.根据权利要求4所述的栅区成膜型光纤布拉格光栅传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤S3的热固化，包括如下步骤：
先将烘烤箱的温度从室温升至70-90℃维持0.5-1.5小时，再将温度升至为150-170℃维持0.5-1.5小时，再将温度升至210-230℃维持1-3小时，然后将烘烤箱关闭，让其自然冷却至室温。
7.根据权利要求4所述的栅区成膜型光纤布拉格光栅传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤S4的水浴为沸水中煮30-50分钟。
8.根据权利要求4所述的栅区成膜型光纤布拉格光栅传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤S5的修剪为聚酰亚胺薄膜长度大于第二光纤段的剥纤长度，宽度宽于第一光纤段的直径，厚度为百微米量级。
9.根据权利要求4-9所述的栅区成膜型光纤布拉格光栅传感器的制作方法，其特征在于，所述栅区成膜型光纤布拉格光栅传感器栅区最大抗拉力增加至原来的5-6倍。
10.根据权利要求4-9所述的栅区成膜型光纤布拉格光栅传感器的制作方法，其特征在于，所述栅区成膜型光纤布拉格光栅传感器栅区不断裂。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN115236797A (zh) * | 2022-08-12 | 2022-10-25 | 武汉理工大学 | 一种耐高温弱光纤光栅阵列及其制备方法 |
| CN115356288A (zh) * | 2022-08-05 | 2022-11-18 | 山东大学 | 基于原位生长聚合物的微纳光纤气体传感器及制备方法 |
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- 2022-02-10 CN CN202210126266.5A patent/CN114509193A/zh active Pending
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