CN114812886A - 一种智能水凝胶光纤传感器及其制备装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种智能水凝胶光纤传感器及其制备装置及其制备方法，其解决了现有智能水凝胶光纤传感器容易发生智能水凝胶与传感光纤的表面附着失效，出现分层的技术问题，智能水凝胶光纤传感器包括PDMS海绵层、PDMS弹性体层、传感光纤，PDMS海绵层、PDMS弹性体层上下层叠连接，呈一体式结构，PDMS海绵层内沿三维方向设有网状孔隙，孔隙内布满智能水凝胶；PDMS弹性体层内设有供传感光纤穿入穿出的通道，PDMS弹性体层与设置在其内的传感光纤紧密连接，且传感光纤的传感区紧密连接设置在PDMS弹性体层内，本发明还公开了智能水凝胶光纤传感器的制备装置及其制备方法，可广泛应用于光纤传感技术领域。
Description
技术领域
本申请涉及光纤传感技术领域，特别涉及一种智能水凝胶光纤传感器及其制备装置及其制备方法。
背景技术
水凝胶是一种具有亲水性基团的聚合物，能在水中溶胀形成三维网络结构，并保持大量水分。智能水凝胶是一种能够感应外界环境中湿度、pH值、应力、温度等物理量变化的材料，对外来刺激具有可逆响应性。在感应变化时，智能水凝胶体积发生显著变化，收缩或溶胀，其特有的固体液体形态相互转换，使智能水凝胶具有渗透性、溶胀性和机械性等功能特征。由于这类材料对外来刺激的可逆响应性使其在分子器件、调光材料、生物活性物质的温和、高效分离等高新技术领域有广泛应用。
光纤可用做传递信息的光信道，也可用作传感器的传感光纤。光纤传感器的优点是不导电、重量轻、体积小、耐高温和电磁辐射、柔性好、耐腐蚀，这些优点使它适合于易燃、易爆、空间受限及强电磁干扰的恶劣环境下使用。因此，光纤传感器一问世便受到极大的重视，几乎在各个领域得到研究和应用，成为现代传感器的先导，推动着传感技术的蓬勃发展。
目前，智能水凝胶光纤传感器因其结构紧凑、灵敏度高、成本低、易于制作而备受关注，其工作原理为利用传感光纤来检测外界刺激引起的智能水凝胶动态变化的光学方法。由于智能水凝胶膜的极限应力低，为了使得相对柔软和富水的智能水凝胶聚合物稳定地连接到传感光纤表面，目前主要采用粘着促进剂、粘合剂和化学键来改善智能水凝胶聚合物与传感光纤之间的表面附着力。在实际使用过程中，在智能水凝胶感应外界变化时，其体积反复发生收缩或溶胀，极易发生智能水凝胶与传感光纤的表面附着失效，出现分层的现象，最终导致智能水凝胶光纤传感器检测数据不准确。该技术问题亟待解决。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术的不足，提供一种智能水凝胶光纤传感器及其制备装置及其制备方法，在实际使用过程中，使智能水凝胶光纤传感器在自身结构上更加稳定可靠，确保测量数据的准确性。
为此，本发明提供一种智能水凝胶光纤传感器，其包括PDMS海绵层、PDMS弹性体层、传感光纤，PDMS海绵层、PDMS弹性体层上下层叠连接，呈一体式结构；PDMS海绵层内沿三维方向设有网状孔隙，孔隙内布满智能水凝胶；PDMS弹性体层内设有供传感光纤穿入穿出的通道，PDMS弹性体层与设置在其内的传感光纤紧密连接，且传感光纤的传感区紧密连接设置在PDMS弹性体层内。PDMS是聚二甲基硅氧烷的英文简称，是一种高分子有机硅化合物。
优选的，传感光纤为单模锥形光纤，单模锥形光纤通过通道穿入PDMS弹性体层并穿出后与镀膜反射镜相连接，PDMS弹性体层与设置在其内的单模锥形光纤紧密连接，且单模锥形光纤的锥区紧密连接设置在PDMS弹性体层内。
优选的，传感光纤为FBG光纤，FBG光纤通过通道穿入PDMS弹性体层并穿出后与镀膜反射镜相连接，PDMS弹性体层与设置在其内的FBG光纤紧密连接，且FBG光纤的光栅段紧密连接设置在PDMS弹性体层内。
优选的，PDMS海绵层、PDMS弹性体层均为长方体结构，且二者的长度、宽度方向一致，传感光纤在PDMS弹性体层内的延伸方向与PDMS弹性体层的长度方向一致。
优选的，传感光纤在PDMS弹性体层内的延伸方向与PDMS弹性体层的中心线重合，且传感光纤的传感区设置在PDMS弹性体层的中心点。
优选的，PDMS弹性体层的长度为10mm，宽度为1mm，厚度为0.8mm；PDMS海绵层的厚度为0.5～1.0mm，长度和宽度大小均与PDMS弹性体层相同；
优选的，单模锥形光纤的芯层直径为9μm，包层直径为125μm，锥区的长度为300μm。
一种智能水凝胶光纤传感器的制备装置，其设有工作台，工作台上安装设有成型模具，成型模具的两侧各设有一个光纤夹具；成型模具为上部敞口的盒状结构，成型模具内设有长方体内腔，长方体内腔从下到上依次设有相连通的PDMS弹性体层填充腔、PDMS海绵层填充腔；成型模具相对设置的两个盒壁上分别开设一个U形槽，且两个U形槽的槽底均向下延伸连通至PDMS弹性体层填充腔；两个U形槽的槽底为用于适配安放传感光纤的结构，且两个U形槽的槽底水平正对设置。
一种智能水凝胶光纤传感器的制备装置，其设有工作台，工作台上安装设有成型模具，成型模具两侧各设有一个光纤夹具；成型模具为上部敞口的盒状结构，成型模具内设有长方体内腔，长方体内腔从下到上依次设有相连通的PDMS弹性体层填充腔、PDMS海绵层填充腔；成型模具相对设置的两个盒壁上各开设一个仅容传感光纤穿过的通孔，两个通孔设置在PDMS弹性体层填充腔所在的盒壁上，且两个通孔水平正对设置。
一种智能水凝胶光纤传感器的制备方法，其制备方法包括以下步骤：
S1.固定传感光纤，使传感光纤的中间段处于绷直状态；
S2.将液体PDMS浇注在传感光纤的设有传感区的中间段上，使传感光纤的该中间段浸没包裹在液体PDMS内，固化形成PDMS弹性体层，备用；
S3.采用水溶性糖制备多孔结构糖模板，该糖模板为板状结构，备用；
S4.将糖模板叠放在PDMS弹性体层上，将液体PDMS灌注填充于糖模板中的网状孔隙内，将填充于糖模板内的液体PDMS固化成为固体PDMS，得到上层包含有糖模板和固体PDMS、下层为PDMS弹性体层的一体式结构；
S5.固体PDMS内的糖模板通过水浴融化除去，形成多孔PDMS层，得到上层为多孔PDMS层、下层为PDMS弹性体层的一体式结构；
S6.将智能水凝胶灌注于上述多孔PDMS层中的网状孔隙内，固化后形成PDMS海绵层；得到上层为PDMS海绵层、下层为PDMS弹性体层的一体式结构，最终制成智能水凝胶光纤传感器。
优选的，步骤S3制备多孔结构糖模板的方法为：将水溶性糖与水混合，使水溶性糖在水中不能完全溶解，呈粘性糖颗粒状态，将粘性糖颗粒填充到模具内烘烤，烘烤温度控制在110～130℃，烘烤时间控制在15～25min，制备得到糖模板。
优选的，步骤S4的水浴温度控制在85～90℃。
本发明的有益效果是：本发明提供一种智能水凝胶光纤传感器，对智能水凝胶体积变化引起的非对称应力进行研究，其PDMS海绵层紧密结合设置在PDMS弹性体层的一侧，PDMS海绵层内的智能水凝胶的体积的变化，有效地诱导了PDMS海绵层和PDMS弹性体层这种叠层一体式结构的弯曲力，最终该弯曲力有效的作用到贯穿包裹连接在PDMS弹性体层内的传感光纤的传感区，将该弯曲力转换为调制光信号。相比现有技术，本发明智能水凝胶通过PDMS的叠层结构间接的与传感光纤相连接，具有结构简单、成本低、灵敏等特点，实现对智能水凝胶体积变化的可靠和可重复测量，在低于1℃/min的温度速率下表现出良好的可重复响应，可以应用各种能够感应外界环境刺激的智能水凝胶，有效避免了现有技术中智能水凝胶直接与传感光纤相接触，由于智能水凝胶体积反复发生收缩或溶胀而导致的二者表面附着失效，出现分层的现象发生，从根本上解决了现有技术智能水凝胶与传感光纤的表面直接接触界面粘附性较差的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，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申请的一些实施例，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为智能水凝胶光纤传感器的俯视图的结构示意图；
图2为图1所示的A-A局部剖视图的结构示意图；
图3为图2所示的A部放大图的结构示意图；
图4为智能水凝胶光纤传感器制备装置的主视图的结构示意图；
图5为图4所示智能水凝胶光纤传感器制备装置的工作原理的结构示意图；
图6为图4所示的成型模具的左视图的结构示意图；
图7为图6所示的立体图的结构示意图；
图8为图6所示的成型模具的另一种形式的立体图的结构示意图。
图中标记：1.PDMS海绵层，2.PDMS弹性体层，3.传感光纤，4.智能水凝胶，5.镀膜反射镜，6.工作台，7.成型模具，8.光纤夹具，9.长方体内腔，10.U形槽，11.通孔，21.通道，31.传感区，91.PDMS弹性体层填充腔，92.PDMS海绵层填充腔，101.槽底。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。本发明中所使用的方法如无特殊规定，均为常规的方法；所使用的原料和装置，如无特殊规定，均为常规的市售产品。
实施例1
由图1～图3所示，本发明提供一种智能水凝胶光纤传感器，其包括PDMS海绵层1、PDMS弹性体层2、传感光纤3，PDMS海绵层1、PDMS弹性体层2上下层叠连接，呈一体式结构；PDMS海绵层1内沿三维方向设有网状孔隙，孔隙内布满智能水凝胶4；PDMS弹性体层2内设有供传感光纤3穿入穿出的通道21，PDMS弹性体层2与设置在其内的传感光纤3紧密连接，且传感光纤3的传感区31紧密连接设置在PDMS弹性体层2内。
本发明致力于智能水凝胶体积变化引起的非对称应力的研究：由于本发明PDMS海绵层1紧密结合设置在PDMS弹性体层2的一侧，在外界环境的刺激下，PDMS海绵层1内的智能水凝胶4感应外界环境的变化，相变发生体积的显著变化，出现收缩或溶胀，其所产生的体积变化有效地诱导了PDMS海绵层1的弯曲力，进而诱导了PDMS弹性体层2的弯曲力，即有效地诱导了PDMS海绵层1和PDMS弹性体层2这种叠层一体式结构的弯曲力，最终该弯曲力有效的作用到贯穿连接在PDMS弹性体层2内的传感光纤3的传感区31，该传感区31将该弯曲力转换为调制光信号。
本发明传感光纤3可以为单模锥形光纤，来自PDMS海绵层1的弯曲力施加到嵌入PDMS弹性体层2内的传感光纤3上，导致传感光纤3的传感区31的光程发生变化，使传感光纤3内光传输的相位差发生变化，相位变化可通过马赫-曾德尔干涉原理转换为光强变化，从而检测出待测量。单模锥形光纤可以为其中一端安装有镀膜反射镜5的单模锥形光纤，单模锥形光纤通过通道21穿入PDMS弹性体层2并穿出后与镀膜反射镜5相连接，PDMS弹性体层2与设置在其内的单模锥形光纤紧密连接，且单模锥形光纤的锥区紧密连接设置在PDMS弹性体层2内；也可以为两端均未安装镀膜反射镜5的单模锥形光纤，可根据实际情况进行选择。
本发明传感光纤3还可以为FBG光纤，来自PDMS海绵层1的弯曲力施加到嵌入PDMS弹性体层2内的传感光纤3上，导致内部布喇格波长发生偏移，在弯曲力与光纤光栅布拉格波长的偏移量之间建立联系，从而检测出待测量。FBG光纤可以为其中一端安装有镀膜反射镜5的FBG光纤，FBG光纤通过通道21穿入PDMS弹性体层2并穿出后与镀膜反射镜5相连接，PDMS弹性体层2与设置在其内的FBG光纤紧密连接，且FBG光纤的光栅段紧密连接设置在PDMS弹性体层2内；也可以为两端均未安装镀膜反射镜5的FBG光纤，可根据实际情况进行选择。
上述单模锥形光纤或者FBG光纤作为本发明的传感光纤3，其中单模锥形光纤的锥区作为传感光纤3的传感区31，FBG光纤的光栅段作为传感光纤3的传感区31。本发明说明书附图中的传感光纤选用单模锥形光纤示例。
当然，除了上述单模锥形光纤和FBG光纤，本发明所使用的传感光纤3的结构不局限于某一特定结构，例如无芯-单模-无芯、多模-单模-多模、空芯-单模-空芯、少模-单模-少模、多芯-单模-多芯、多模-单模反射结构、单模拉锥结构以及单模错位拼接结构等任何对外界应力变化响应的光纤结构也在本发明智能水凝胶光纤传感器的可用范围之内。本发明可以根据实际使用需求选择智能水凝胶4的种类，例如温敏水凝胶、热胀水凝胶、热缩水凝胶、pH敏感水凝胶、光敏感水凝胶、磁响应水凝胶、电敏感水凝胶及复合水凝胶等。例如，在测量外界温度变化时，智能水凝胶4材料可选用pNIPAAm水凝胶。
相比现有技术，本发明智能水凝胶4通过PDMS材料的叠层一体式结构间接的与传感光纤3相连接，有效避免了现有技术中智能水凝胶4直接与传感光纤3的表面相接触，由于智能水凝胶4体积反复发生收缩或溶胀而导致的二者表面附着失效，出现分层的现象发生。
PDMS海绵层1、PDMS弹性体层2最好均为长方体结构，且二者的长度、宽度方向一致，单模锥形光纤在PDMS弹性体层2内的延伸方向与PDMS弹性体层2的长度方向一致。在外界环境的刺激下，智能水凝胶4感应外界环境的变化发生收缩或溶胀，其所产生的体积变化能够进一步有效地诱导PDMS海绵层1和PDMS弹性体层2这种叠层结构的弯曲力，使该弯曲力施加到嵌入PDMS弹性体层2内的传感光纤3的传感区31上的效果更加明显。
传感光纤3在PDMS弹性体层2内的延伸方向最好与PDMS弹性体层2的长度方向一致，且与PDMS弹性体层2的中心线重合，传感光纤3的传感区31设置在PDMS弹性体层2的中心点。使该弯曲力施加到嵌入PDMS弹性体层2内的传感光纤3上的效果更加明显。准确定位传感光纤3的传感区31的位置，有利于传感光纤3的传感区31对于不同大小的弯曲力的响应研究。
本发明提供一种智能水凝胶光纤传感器，可根据产品的实际使用设计要求，选用传感器3的种类及尺寸，进一步选用确定PDMS弹性体层2和PDMS海绵层1的长度、宽度、厚度。例如，根据产品实际使用设计要求，选用单模锥形光纤，其芯层直径为9μm，包层直径为125μm，锥区的长度为300μm；进而选用确定PDMS弹性体层2和PDMS海绵层1，其中PDMS弹性体层2的长度为10mm，宽度为1mm，厚度为0.8mm；PDMS海绵层1的厚度为0.5～1.0mm，长度和宽度大小最好均与PDMS弹性体层2相同。
实施例2
由图4、图5所示，本发明提供一种智能水凝胶光纤传感器的制备装置，其设有工作台6，工作台6上安装设有成型模具7，该成型模具7用于智能水凝胶光纤传感器的成型，成型模具7的两侧各设有一个光纤夹具8，光纤夹具8作为光纤固定卡具，用于在成型模具7的两侧夹住传感光纤3，使位于两个光纤夹具8之间的传感光纤3始终处于绷直状态。成型模具7为上部敞口的盒状结构，成型模具7内设有长方体内腔9，长方体内腔9从下到上依次设有相连通的PDMS弹性体层填充腔91、PDMS海绵层填充腔92。由图5所示，成型模具7相对设置的两个盒壁上分别开设一个仅容传感光纤3通过的U形槽10，且两个U形槽10的槽底101均向下延伸连通至PDMS弹性体层填充腔91；两个U形槽10的槽底101为用于适配安放传感光纤3的结构，该结构根据传感光纤3的截面形状确定，通常设置为半圆形结构；两个U形槽10的槽底101水平正对设置，在两个光纤夹具8的夹持下，传感光纤3在成型模具7内处于水平放置状态。由图5、图6所示，该成型模具7适用于一端安装有镀膜反射镜5、另一端按照其他装置的传感光纤3，由于镀膜反射镜5和其他装置的阻挡，传感光纤3无法直接从成型模具7的盒壁穿过，只能从成型模具7的上方，将传感光纤3纵向整体下移，从上到下穿过两个U形槽10的侧壁之间的缝隙，最终传感光纤3水平安放在两个U形槽10的槽底101上，且传感光纤3的传感区31设置在PDMS弹性体层填充腔91内，镀膜反射镜5设置在成型模具7外，完成传感光纤3的放置；然后再使用成型模具7的两侧的光纤夹具8完成对传感光纤3的夹持固定。
由图4、图5所示，光纤夹具8最好安装在工作台6上，结构紧凑，使用方便。
本发明所属领域的技术人员可根据所制备的智能水凝胶光纤传感器的PDMS弹性体层2、PDMS海绵层1、传感光纤3直径、以及传感光纤3与PDMS弹性体层2之间的距离等实际情况，来分别确定PDMS弹性体层填充腔91、PDMS海绵层填充腔92的长度、宽度、高度的大小，以及U形槽10的侧壁之间的缝隙大小、U形槽10的槽底101与PDMS弹性体层填充腔91的腔底之间的距离等尺寸，设计出实际生产所用的成型模具7。
如图8所示并结合图5，本发明成型模具7的另一种结构为：成型模具7相对设置的两个盒壁上各开设一个仅容传感光纤3穿过的通孔11，两个通孔11设置在PDMS弹性体层填充腔91所在的盒壁上，且两个通孔11水平正对设置。该成型模具7适用于其中的一端未安装任何装置的传感光纤3，将传感光纤3未安装装置的一端先后穿过成型模具7的两个通孔11，最终传感光纤3水平安放在两个通孔11上，且传感光纤3的传感区31设置在PDMS弹性体层填充腔91内，从而完成传感光纤3的固定。
由图5所示，使用上述两个光纤夹具8将传感光纤3拉直固定在成型模具7的PDMS弹性体层填充腔91内，此时传感光纤3的传感区31在PDMS弹性体层填充腔91内。先向长方体内腔9内倒入液体PDMS，使其充满PDMS弹性体层填充腔91，此时液体PDMS完全包裹传感光纤3，然后固化形成PDMS弹性体层2；接着制备多孔结构糖模板，该糖模板为板状结构，且其四周边缘尺寸与PDMS海绵层填充腔92轮廓尺寸一致；再将糖模板放置在成型模具7内的PDMS海绵层填充腔92内，此时糖模板的下表面与PDMS弹性体层2的上表面相接触，再向PDMS海绵层填充腔92内灌注液体PDMS，液体PDMS充满糖模板中的网状空隙内，然后固化，此时糖模板的下表面与PDMS弹性体层2的上表面通过液体PDMS固化成为一整体结构，糖模板内的网状空隙也被固体PDMS填充占位；通过水浴融化除去糖模板后，上述固体PDMS内形成网状空隙，变成多孔PDMS层；将智能水凝胶4灌注充满多孔PDMS层内的网状空隙，固化后形成PDMS海绵层1，最终形成上层为PDMS海绵层1、下层为PDMS弹性体层2的一体式结构，制备完成智能水凝胶光纤传感器。打开两个光纤夹具8，完成脱膜。
使用图7所示的成型模具7，其脱膜方法为，将智能水凝胶光纤传感器相对于成型模具7向上抬起，此时位于成型模具7两侧的传感光纤3沿着U形槽10的侧壁之间的缝隙向上移动，最终智能水凝胶光纤传感器与成型模具7之间相互分离。该成型模具7可多次使用。
使用图8所示的成型模具7，其脱膜方法为，对成型模具7采用物理破坏去除，最终取出完整的智能水凝胶光纤传感器。该成型模具7属于一次性消耗品；当然，如图7所示的成型模具7也可用于此方法。
需要说明的是，使用如图7所示的成型模具7，由于传感光纤3直径为微米级，U形槽10的侧壁之间的缝隙仅容传感光纤3通过，因此向长方体内腔9倒入的液体PDMS不会从U形槽10流出。智能水凝胶光纤传感器在脱膜后，可以去除位于其表面相应的毛刺。为了提高外观质量，也可以在制备前，先将狭长的薄片适配插入U形槽10的侧壁之间的缝隙内，脱膜时，再将该薄片取出。
实施例3
根据上述实施例2技术方案，以及如图4～图8所示的成型模具7及其工作原理的揭示和启发，本发明所属领域的技术人员可以进行修改、等同替换和改进成型模具7，无论采用何种成型模具7，其设计要点均来自于上述本发明智能水凝胶光纤传感器的制备原理。由此可知，本发明智能水凝胶光纤传感器的制备方法包括以下步骤：
S1.固定传感光纤3，使传感光纤3的中间段处于绷直状态；
S2.将液体PDMS浇注在传感光纤3的设有中间段上，该中间段设有传感区31，使传感光纤3的该中间段浸没包裹在液体PDMS内，固化形成PDMS弹性体层2，备用；
S3.采用水溶性糖制备多孔结构糖模板，该糖模板为板状结构，其内沿三维方向上形成网状孔隙，备用；
S4.将糖模板叠放在PDMS弹性体层2上，将液体PDMS灌注填充于糖模板中的网状孔隙内，将填充于糖模板内的液体PDMS固化成为固体PDMS，从而得到上层包含有糖模板和固体PDMS、下层为PDMS弹性体层2的一体式结构；使糖模板的下表面与PDMS弹性体层2的上表面通过液体PDMS固化成为一整体结构，糖模板内的网状空隙被固化后的PDMS填充占位形成固体PDMS；
S5.固体PDMS内的糖模板通过水浴融化去除，使得固体PDMS内原来糖模板所占的位置变为沿三维方向上的网状空隙，形成多孔PDMS层；从而得到上层为多孔PDMS层、下层为PDMS弹性体层2的一体式结构；
S6.将智能水凝胶4灌注于上述多孔PDMS层中的网状孔隙内固化，智能水凝胶4由液态转变为固态，则多孔PDMS层变为PDMS海绵层1；形成上层为PDMS海绵层1、下层为PDMS弹性体层2的一体式结构，最终制成智能水凝胶光纤传感器。
上述步骤S1中的传感光纤3的中间段指的是位于传感光纤3两端之间的任意区段，根据产品设计的实际需要选取。该传感光纤3包括实施例1所述的FBG光纤或者单模锥形光纤，还包括能够被弯曲力触发，使传感光纤3内光传输的相位差发生变化，相位变化可通过马赫-曾德尔干涉原理转换为光强变化，从而检测出待测量的传感光纤3。
上述步骤S3制备糖模板的方法可以为现有技术，也可以为：将水溶性糖与水混合，使水溶性糖在水中不能完全溶解，呈粘性糖颗粒状态，将粘性糖颗粒填充到模具内烘烤，制备得到糖模板。水溶性糖可以为砂糖棒、蔗糖、棉白糖或者粗砂糖中的一种或几种，水溶性糖在25℃时在水中的溶解度为1.9～2.1g糖/g水。在本发明中只要将采用水溶性糖制备得到多孔结构糖模板即可，对具体的实施方式没有特别的限定。模具内可开设有与PDMS海绵层填充腔92的长度、宽度、高度的大小完全相等的空腔。为了进一步缩短糖模板的制备时间，烘烤温度可以控制在110～130℃，烘烤时间可以控制在15～25min。
本发明步骤S5中只要将采用水浴将固体PDMS内的糖模板融化去除即可，对具体的实施方式没有特别的限定。为了进一步提高糖模板的融化速度，水浴温度可以控制在85～90℃。
本发明步骤S2、步骤S4中采用的固化技术手段只要完成浇注的液体PDMS或者灌注的液体PDMS固化即可，对具体的实施方式没有特别的限定。通常在空气中室温下固化24小时。
本发明步骤S4将液体PDMS灌注填充于糖模板中的网状孔隙内、步骤S6将智能水凝胶4灌注于上述多孔PDMS层中的网状孔隙内即可，对具体的实施方式没有特别的限定。进一步具体的，步骤S4是将液体PDMS浇注到糖模板上，并将成型模具7置于负压环境箱中，负压环境使液体PDMS完全充填到糖模板内的网状孔隙内，且与放置在糖模板下部的PDMS弹性体层2相接触；步骤S6是将智能水凝胶4浇注到多孔PDMS层上，并将成型模具7放入负压环境箱中，负压环境使液态智能水凝胶4完全充填到PDMS层内的网状孔隙内，最好与放置在糖模板下部的PDMS弹性体层2相接触。负压环境的压力可以设置为-0.15KPa。
本发明步骤S6中采用的固化技术手段只要完成灌注的智能水凝胶4固化即可，对具体的实施方式没有特别的限定。进一步具体的，将完成智能水凝胶4灌注的多孔PDMS层连同成型模具7从负压环境箱中取出，再利用紫外光将智能水凝胶4固化。
本发明智能水凝胶光纤传感器在制备完成从成型模具7取出后，为了进一步提高质量，可以开展物理去除毛刺、以及保温去除内应力等缺陷的操作。
本发明提供一种智能水凝胶光纤传感器，对智能水凝胶4体积变化引起的非对称应力进行研究，其PDMS海绵层1紧密结合设置在PDMS弹性体层2的一侧，当PDMS海绵层1内的智能水凝胶4的体积的变化，有效地诱导了PDMS海绵层1和PDMS弹性体层2这种叠层一体式结构的弯曲力，最终该弯曲力有效的作用到贯穿连接在PDMS弹性体层2内的传感光纤3的传感区31，将该弯曲力转换为调制光信号。相比现有技术，本发明智能水凝胶4通过PDMS的叠层结构间接的与传感光纤3相连接，具有结构简单、成本低、灵敏等特点，实现对智能水凝胶4体积变化的可靠和可重复测量，在低于1℃/min的温度速率下表现出良好的可重复响应，可以应用各种能够感应外界环境刺激的智能水凝胶4。有效避免了现有技术中智能水凝胶4直接与传感光纤3相接触，由于智能水凝胶4体积反复发生收缩或溶胀而导致的二者表面附着失效，出现分层的现象发生，从根本上解决了现有技术智能水凝胶4与传感光纤的表面直接接触界面粘附性较差的问题。
需要说明的是，PDMS是聚二甲基硅氧烷的英文简称，是一种高分子有机硅化合物。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“前”、“后”、“内”、“外”、“背”、“中间”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具备特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种智能水凝胶光纤传感器，其特征在于，其包括PDMS海绵层(1)、PDMS弹性体层(2)、传感光纤(3)，所述PDMS海绵层(1)、所述PDMS弹性体层(2)上下层叠连接，呈一体式结构；所述PDMS海绵层(1)内沿三维方向设有网状孔隙，所述孔隙内布满智能水凝胶(4)；所述PDMS弹性体层(2)内设有供所述传感光纤(3)穿入穿出的通道(21)，所述PDMS弹性体层(2)与设置在其内的所述传感光纤(3)紧密连接，且所述传感光纤(3)的传感区(31)紧密连接设置在所述PDMS弹性体层(2)内。
2.根据权利要求1所述的一种智能水凝胶光纤传感器，其特征在于，所述传感光纤(3)为单模锥形光纤，所述单模锥形光纤通过所述通道(21)穿入所述PDMS弹性体层(2)并穿出后与镀膜反射镜(5)相连接，所述PDMS弹性体层(2)与设置在其内的所述单模锥形光纤紧密连接，且所述单模锥形光纤的锥区紧密连接设置在所述PDMS弹性体层(2)内。
3.根据权利要求1所述的一种智能水凝胶光纤传感器，其特征在于，所述传感光纤(3)为FBG光纤，所述FBG光纤通过所述通道(21)穿入所述PDMS弹性体层(2)并穿出后与镀膜反射镜(5)相连接，所述PDMS弹性体层(2)与设置在其内的所述FBG光纤紧密连接，且所述FBG光纤的光栅段紧密连接设置在所述PDMS弹性体层(2)内。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种智能水凝胶光纤传感器，其特征在于，所述PDMS海绵层(1)、所述PDMS弹性体层(2)均为长方体结构，且二者的长度、宽度方向一致，所述传感光纤(3)在所述PDMS弹性体层(2)内的延伸方向与所述PDMS弹性体层(2)的长度方向一致。
5.根据权利要求4所述的一种智能水凝胶光纤传感器，其特征在于，所述传感光纤(3)在所述PDMS弹性体层(2)内的延伸方向与所述PDMS弹性体层(2)的中心线重合，且所述传感光纤(3)的传感区(31)设置在所述PDMS弹性体层(2)的中心点。
6.根据权利要求1-3任一项所述的一种智能水凝胶光纤传感器，其特征在于，所述PDMS弹性体层(2)的长度为10mm，宽度为1mm，厚度为0.8mm；所述PDMS海绵层(1)的厚度为0.5～1.0mm，长度和宽度大小均与所述PDMS弹性体层(2)相同。
7.一种智能水凝胶光纤传感器的制备装置，其特征在于，其设有工作台(6)，所述工作台(6)上安装设有成型模具(7)，所述成型模具(7)的两侧各设有一个光纤夹具(8)；所述成型模具(7)为上部敞口的盒状结构，所述成型模具(7)内设有长方体内腔(9)，所述长方体内腔(9)从下到上依次设有相连通的PDMS弹性体层填充腔(91)、PDMS海绵层填充腔(92)；所述成型模具(7)相对设置的两个盒壁上各开设一个仅容传感光纤(3)通过的U形槽(10)，且两个所述U形槽(10)的槽底(101)均向下延伸连通至所述PDMS弹性体层填充腔(91)；两个所述U形槽(10)的槽底(101)水平正对设置。
8.一种智能水凝胶光纤传感器的制备装置，其特征在于，其设有工作台(6)，所述工作台(6)上安装设有成型模具(7)，所述成型模具(7)的两侧各设有一个光纤夹具(8)；所述成型模具(7)为上部敞口的盒状结构，所述成型模具(7)内设有长方体内腔(9)，所述长方体内腔(9)从下到上依次设有相连通的PDMS弹性体层填充腔(91)、PDMS海绵层填充腔(92)；所述成型模具(7)的相对设置的两个盒壁上各开设一个仅容传感光纤(3)穿过的通孔(11)，两个所述通孔(11)设置在PDMS弹性体层填充腔(91)所在的盒壁上，且两个所述通孔(11)水平正对设置。
9.一种智能水凝胶光纤传感器的制备方法，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：
S1.固定传感光纤(3)，使所述传感光纤(3)的中间段处于绷直状态；
S2.将液体PDMS浇注在所述传感光纤(3)的设有传感区(31)的所述中间段上，使所述传感光纤(3)的所述中间段浸没包裹在液体PDMS内，固化形成PDMS弹性体层(2)，备用；
S3.采用水溶性糖制备多孔结构糖模板，所述糖模板为板状结构，备用；
S4.将所述糖模板叠放在所述PDMS弹性体层(2)上，将液体PDMS灌注填充于所述糖模板中的网状孔隙内，将填充于所述糖模板内的液体PDMS固化成为固体PDMS，得到上层包含有所述糖模板和所述固体PDMS、下层为所述PDMS弹性体层(2)的一体式结构；
S5.所述固体PDMS内的所述糖模板通过水浴融化除去，形成多孔PDMS层，得到上层为所述多孔PDMS层、下层为所述PDMS弹性体层(2)的一体式结构；
S6.将智能水凝胶(4)灌注于所述多孔PDMS层中的网状孔隙内，固化后成为PDMS海绵层(1)，形成上层为PDMS海绵层(1)、下层为PDMS弹性体层(2)的一体式结构，最终制成所述智能水凝胶光纤传感器。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤S3制备多孔结构糖模板的方法为：将水溶性糖与水混合，使水溶性糖在水中不能完全溶解，呈粘性糖颗粒状态，将所述粘性糖颗粒填充到模具内烘烤，烘烤温度控制在110～130℃，烘烤时间控制在15～25min，制备得到所述糖模板。
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