CN114813571A - 一种花生形光纤湿度传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种花生形光纤湿度传感器及其制备方法，该方法包括a：利用单模光纤制备得到具有花生形结构的光纤；b：采用静电纺丝制备得到湿敏材料的纳米纤维，并对其进行退火处理；c：将退火处理后的纳米纤维包覆在所述具有花生形结构的光纤上形成纳米纤维膜，以得到花生形光纤湿度传感器。本实施例的花生形光纤湿度传感器的制备方法，利用静电纺丝技术在所述具有花生形结构的光纤上包覆湿敏材料的纳米纤维膜，相比于涂覆湿敏材料，纳米纤维可以稳定地包覆在光纤表面，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，具体涉及一种花生形光纤湿度传感器及其制备方法。
背景技术
湿度传感设备应用于各种环境检测应用中，包括人类舒适度、农业、食品加工和储存。光纤湿度传感器具有高灵敏度，抗化学腐蚀和抗电磁干扰的优点，优于普通电子传感器。因此光纤传感器越来越受到人们的高度重视，在现代社会下发展迅速，应用前景非常广泛。
光纤传感器是通过检测被测对象状态变化引起的光信号改变的一种传感器，将光源入射的光束经由光纤送到调制器，在调制器内与外界被测参数发生相互作用，使光的光学性质如光的强度、波长、频率、相位等发生变化，成为调制光信号，再经光纤送入光电器件，最后通过解调器获得被测参数。光纤既用作传输光纤，也起到光调制器的作用。
目前，大多光纤采用拉锥光纤结构，要实现高灵敏度锥区的宽度需为几微米，造成机械强度低，不利于操作使用。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，而且涂覆的厚度无法精确控制。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种花生形光纤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：
本发明提供了一种花生形光纤湿度传感器的制备方法，包括：
a：利用单模光纤制备得到具有花生形结构的光纤；
b：采用静电纺丝制备得到湿敏材料的纳米纤维，并对其进行退火处理；
c：将退火处理后的纳米纤维包覆在所述具有花生形结构的光纤上形成纳米纤维膜，以得到花生形光纤湿度传感器。
在本发明的一个实施例中，步骤a包括：
a1：使用光纤熔接机对所述单模光纤的端部进行放电，在所述单模光纤的端部熔融形成球形结构；
a2：使用光纤熔接机的熔接模式，将两个具有球形结构的所述单模光纤进行熔接，形成具有花生形结构的光纤。
在本发明的一个实施例中，所述球形结构的直径为200-250μm。
在本发明的一个实施例中，在步骤a1中，采用两次放电的方式在所述单模光纤的端部熔融形成球形结构，其中，第一次放电强度为150bits，放电时间为150ms，第二次放电强度为300bits，放电时间为4s。
在本发明的一个实施例中，在步骤a2中，将两个所述单模光纤的球形结构相贴放置，通过熔接机的调试模式，设置放电强度为25bit，将两个所述球形结构熔接形成花生形结构。
在本发明的一个实施例中，所述纳米纤维为ZnO纳米纤维。
在本发明的一个实施例中，步骤b包括：
b1：配置ZnO前驱体溶液；
b2：使用注射器吸取ZnO前驱体溶液，将注射器安装在静电纺丝机的推进装置上，注射器与接地金属板之间的距离为15-18cm，所述金属板上放置有锡箔纸以采集纳米纤维；
b3：将注射器对准锡箔纸，进行静电纺丝，其中，电场强度为18KV；
b4：将锡箔纸采集的纳米纤维进行退火处理，得到无序的ZnO纳米纤维，其中，退火温度为500℃，退火时间为3h，退火升温速率为1℃/min-1。
在本发明的一个实施例中，步骤c包括：将所述具有花生形结构的光纤放置在ZnO纳米纤维上，并通过转动所述具有花生形结构的光纤以使所述ZnO纳米纤维包覆在其上，形成纳米纤维膜，以得到花生形光纤湿度传感器。
本发明提供了一种花生形光纤湿度传感器，包括具有花生形结构的光纤以及包覆在其上的湿敏材料的纳米纤维膜，其中，所述花生形光纤湿度传感器采用如上述实施例中任一项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.本发明的花生形光纤湿度传感器的制备方法，利用静电纺丝技术在所述具有花生形结构的光纤上包覆湿敏材料的纳米纤维膜，相比于涂覆湿敏材料，纳米纤维可以稳定地包覆在光纤表面，而且分布均匀，提高了光纤温湿度传感器的测量精度；
2.本发明的花生形光纤湿度传感器的制备方法，采用具有花生结构的光纤相比于拉锥结构的光纤，机械强度更高，不易断裂；
3.本发明的花生形光纤湿度传感器的制备方法，先制备纳米纤维，然后将退火处理后的纳米纤维缠绕在光纤上形成纳米纤维膜，可以避免将纳米纤维直接通过静电纺丝喷涂在光纤上形成纳米纤维膜，然后将光纤与纳米纤维共同进行退火处理，而导致光纤变脆，易断裂的问题。
4.本发明的花生形光纤湿度传感器制作简单，只需要使用普通单模光纤就能制备得到，成本低廉。
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花生形光纤湿度传感器的制备方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的一种具有花生形结构的光纤的光学显微镜照片；
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纳米纤维的扫描电子显微镜照片；
图5是本发明实施例提供的包覆有纳米纤维膜的花生形结构的光纤的扫描电子显微镜照片。
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花生形光纤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花生形光纤湿度传感器的制备方法的流程图，如图所示，该制备方法包括：
a：利用单模光纤制备得到具有花生形结构的光纤；
b：采用静电纺丝制备得到湿敏材料的纳米纤维，并对其进行退火处理；
c：将退火处理后的纳米纤维包覆在具有花生形结构的光纤上形成纳米纤维膜，以得到花生形光纤湿度传感器。
本实施例的花生形光纤湿度传感器的制备方法，利用静电纺丝技术在所述具有花生形结构的光纤上包覆湿敏材料的纳米纤维膜，相比于涂覆湿敏材料，纳米纤维可以稳定地包覆在光纤表面，而且分布均匀，提高了光纤温湿度传感器的测量精度。而且采用具有花生结构的光纤相比于拉锥结构的光纤，机械强度更高，不易断裂。
具体地，步骤a包括：
a1：使用光纤熔接机对单模光纤的端部进行放电，在单模光纤的端部熔融形成球形结构；
a2：使用光纤熔接机的熔接模式，将两个具有球形结构的单模光纤进行熔接，形成具有花生形结构的光纤。
可选地，球形结构的直径为200-250μm。
具体地，在步骤a1中，采用两次放电的方式在所述单模光纤的端部熔融形成球形结构，其中，第一次放电强度为150bit，放电时间为150ms，第二次放电强度为300bit，放电时间为4s。
具体地，在步骤a2中，将两个单模光纤的球形结构相贴放置，通过熔接机的调试模式，设置放电强度为25bit，将两个球形结构熔接形成花生形结构。
值得说明的是，花生形结构不限于两个球形结构，也可以是一个球形结构或者由多个球形结构串联连接。请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种具有花生形结构的光纤的光学显微镜照片，如图2所示，在本实施例中，花生形结构是由两个球形结构熔接形成的。
进一步地，纳米纤维为ZnO纳米纤维。
进一步地，对静电纺丝制备ZnO纳米纤维进行具体说明，请结合参见图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b包括：
b1：配置ZnO前驱体溶液；
在本实施例中，将1.0gZn(NO3)2·6H2O溶解在12ml的N,N二甲基甲酰胺(DMF)中，然后在上述溶液中加入2g的聚乙烯吡咯烷酮(PVP，Mn＝1,300,000)通过连续搅拌形成均匀的ZnO前驱体溶液。
b2：使用注射器吸取ZnO前驱体溶液，将注射器安装在静电纺丝机的推进装置上，注射器与接地金属板之间的距离为15-18cm，金属板上放置有锡箔纸以采集纳米纤维；
在本实施例中，金属板作为接地的目标物。
b3：将注射器对准锡箔纸，进行静电纺丝，其中，电场强度为18KV；
b4：将锡箔纸采集的纳米纤维进行退火处理，得到无序的ZnO纳米纤维，其中，退火温度为500℃，退火时间为3h，退火升温速率为1℃/min-1。
请参见图4，图4是本发明实施例提供的纳米纤维的扫描电子显微镜照片。如图所示，在本实施例中，ZnO纳米纤维相互之间交叉重叠，大多数纤维呈直线状。
可选地，在其他实施例中，还可以选取聚乙烯醇(PVA)与氧化锌(ZnO)混合溶液作为ZnO前驱体溶液。具体地，将制作好的浓度为8％PVA和浓度为0.1mg/ml的ZnO溶液按照5:1的比例混合，并使用磁力搅拌机搅拌一小时待均匀后制成PVA/ZnO混合溶液。将制备好的PVA/ZnO混合溶液通过静电纺丝技术喷射纳米纤维在锡箔纸上，制备得到PVA/ZnO混合纤维，该PVA/ZnO混合纤维可以通过步骤c直接包覆在具有花生形结构的光纤上，不需要经过退火的步骤。
进一步地，步骤c包括：将具有花生形结构的光纤放置在ZnO纳米纤维上，并通过转动具有花生形结构的光纤以使ZnO纳米纤维包覆在其上，形成纳米纤维膜，以得到花生形光纤湿度传感器。
可选地，将制备得到的ZnO纳米纤维放置在操作台上，取具有花生形结构的光纤，双手捏住光纤的两端，将光纤贴到ZnO纳米纤维上，通过向同一方向转动，将ZnO纳米纤维紧密地缠绕在光纤上。
值得说明的是，可以通过控制具有花生形结构的光纤的旋转圈数控制纳米纤维膜的厚度，以形成具有特定厚度的纳米纤维膜，该纳米纤维膜也就是花生形光纤湿度传感器的传感膜。
请参见图5，图5是本发明实施例提供的包覆有纳米纤维膜的花生形结构的光纤的扫描电子显微镜照片。从图中可以看出，ZnO纳米纤维紧密的缠绕在光纤表面上，形成一定厚度的纳米纤维膜。
本实施例的花生形光纤湿度传感器的制备方法，先制备纳米纤维，然后将退火处理后的纳米纤维缠绕在光纤上形成纳米纤维膜，可以避免将纳米纤维直接通过静电纺丝喷涂在光纤上形成纳米纤维膜，然后将光纤与纳米纤维共同进行退火处理，而导致光纤变脆，易断裂的问题。而且，通过手动缠绕，能够快速均匀的在光纤上制作纳米纤维膜，并且可以完美的控制纳米纤维膜的厚度。相比于比传统的自动滚筒缠丝法会更加紧密和均匀，这种手动缠绕方法可以让在大部分结构上固定纳米纤维。
进一步地，本实施例还提供了一种花生形光纤湿度传感器，包括具有花生形结构的光纤以及包覆在其上的敏材料的纳米纤维，其中，本实施例的花生形光纤湿度传感器采用上述实施例所述的制备方法制备得到。
本实施例的花生形光纤湿度传感器制作简单，只需要使用普通单模光纤就能制备得到，成本低廉。
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。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”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有特定的方位、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 (9)
1.一种花生形光纤湿度传感器的制备方法，其特征在于，包括：
a：利用单模光纤制备得到具有花生形结构的光纤；
b：采用静电纺丝制备得到湿敏材料的纳米纤维，并对其进行退火处理；
c：将退火处理后的纳米纤维包覆在所述具有花生形结构的光纤上形成纳米纤维膜，以得到花生形光纤湿度传感器。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a包括：
a1：使用光纤熔接机对所述单模光纤的端部进行放电，在所述单模光纤的端部熔融形成球形结构；
a2：使用光纤熔接机的熔接模式，将两个具有球形结构的所述单模光纤进行熔接，形成具有花生形结构的光纤。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述球形结构的直径为200-250μm。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤a1中，采用两次放电的方式在所述单模光纤的端部熔融形成球形结构，其中，第一次放电强度为150bits，放电时间为150ms，第二次放电强度为300bits，放电时间为4s。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤a2中，将两个所述单模光纤的球形结构相贴放置，通过熔接机的调试模式，设置放电强度为25bit，将两个所述球形结构熔接形成花生形结构。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米纤维为ZnO纳米纤维。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤b包括：
b1：配置ZnO前驱体溶液；
b2：使用注射器吸取ZnO前驱体溶液，将注射器安装在静电纺丝机的推进装置上，注射器与接地金属板之间的距离为15-18cm，所述金属板上放置有锡箔纸以采集纳米纤维；
b3：将注射器对准锡箔纸，进行静电纺丝，其中，电场强度为18KV；
b4：将锡箔纸采集的纳米纤维进行退火处理，得到无序的ZnO纳米纤维，其中，退火温度为500℃，退火时间为3h，退火升温速率为1℃/min-1。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤c包括：将所述具有花生形结构的光纤放置在ZnO纳米纤维上，并通过转动所述具有花生形结构的光纤以使所述ZnO纳米纤维包覆在其上，形成纳米纤维膜，以得到花生形光纤湿度传感器。
9.一种花生形光纤湿度传感器，其特征在于，包括具有花生形结构的光纤以及包覆在其上的湿敏材料的纳米纤维膜，其中，所述花生形光纤湿度传感器采用如权利要求1-8任一项所述的制备方法制备得到。
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-
2021
- 2021-01-22 CN CN202110090899.0A patent/CN114813571A/zh active Pending
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