CN115770710A - 一种涂覆聚醚砜材料于光纤布拉格传感器表面的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种涂覆聚醚砜材料于光纤布拉格传感器表面的方法，S1、确定同轴夹具以及中空管模具的尺寸；S2、采用水溶性材料进行3D打印同轴夹具以及中空管模具；S3、将光纤布拉格传感器与同轴夹具、中空管模具进行限位固定；S4、将限位固定后的同轴夹具与中空管模具竖直放置，在中空管模具内填充聚醚砜溶液；S5、完成聚醚砜溶液在光纤布拉格传感器表面的涂覆；S6、将涂覆完成的光纤布拉格传感器以及同轴夹具、中空管模具整体放入清水中，使同轴夹具与中空管模具溶解。本发明具有如下优点：解决传统聚醚砜材料涂覆方法导致光纤布拉格传感器表面材料分布不均匀的问题，同时将涂覆所需的额外模具进行无损装配和无损脱模。
Description
技术领域：
本发明属于光纤布拉格传感器领域，具体涉及一种涂覆聚醚砜材料于光纤布拉格传感器表面的方法。
背景技术：
随着全世界经济水平与生产能力的持续性发展，充足的能源供应对于人类社会的重要性也日益增加。目前，世界上大多数国家的能量供给结构仍是以传统化石能源为主，其他能源为辅。并且传统能源大多是以煤和石油为主的不可再生能源，正面临着过度开发带来的枯竭问题。长此以往，社会的发展必将受制于能源的匮乏，这将导致严重的社会问题。按照目前二氧化碳的排放速率来说，到21世纪中叶全球大气中二氧化碳浓度将达到现在的两倍，这对人类社会这类自然生态系统是灾难性的，人类需要在2050年前减少温室气体40%-70%的排放，才能有效减缓温室效应。
对CO2传感器来说，简单直接的二氧化碳检测在空气质量监测、温室气体监测、火灾探测、食品包装和公共医疗保健等各种应用中变得越来越重要。检测CO2的常规技术主要是光学和化学方法，包括红外光谱复制法、气相色谱法和荧光法等。尽管这些手段在检测包括CO2在内的各种气体方面具有出色的灵敏度和选择性，但笨重昂贵的设备和复杂的检测过程限制了它们在某些场合的应用。然而，与传统检测方法相比，光纤布拉格气体传感器具有明显的优势，包括易于构建传感网络、多路复用能力、器件的可用性和低成本、高灵敏度和检测精度等基于光纤布拉格传感器的气敏传感器已经被报道能监测包括，如H2，NH3，NO2，H2S和丙酮等。
聚醚砜材料作为一种高分子材料，具有化学性质稳定、耐腐蚀、易于制备等优点，同时对CO2气体具有良好气敏性，在CO2气氛中聚醚砜分子膨胀带动光纤栅区伸长，最后使得光纤布拉格传感器的中心波长与CO2气体浓度具有良好的线性关系。但是传统的涂覆聚醚砜材料于光纤布拉格传感器表面的方法为提拉法或静置加热法，均难以避免重力影响导致光纤布拉格传感器栅区涂覆的聚醚砜出现一侧薄，一侧厚的情况，使得涂覆的可重复性差，传感器难以进行标准标定，而且传统的涂覆需要进行装配以及脱模，装配及脱模都会对光纤布拉格传感器的传感器栅区产生损伤，从而影响传感器的性能。本发明提供了一种简便地解决涂覆在光纤布拉格传感器表面的聚醚砜厚薄不均匀且实现无损装配的问题。
发明内容：
本发明的目的是为了克服以上的不足，提供一种涂覆聚醚砜材料于光纤布拉格传感器表面的方法，解决传统聚醚砜材料涂覆方法导致光纤布拉格传感器表面材料分布不均匀的问题，同时将涂覆所需的额外模具进行无损装配和无损脱模，使得聚醚砜材料涂覆过程不损伤传感器栅区，不影响传感器的性能。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种涂覆聚醚砜材料于光纤布拉格传感器表面的方法，光纤布拉格传感器包括光纤芯体以及置于光纤芯体上的支柱元件，光纤芯体的两侧端凸出于支柱元件，具体步骤包括：
S1、根据光纤布拉格传感器的尺寸，确定同轴夹具以及中空管模具的尺寸；
S2、采用水溶性材料进行3D打印同轴夹具以及中空管模具；同轴夹具包括夹具本体以及置于夹具本体中心的通孔，任意光纤芯体的一端贯穿通孔设置，且光纤芯体靠近支柱元件的端面具有向内凹陷的环形槽；中空管模具为内部中空的柱状结构，中空管模具的内径大于支柱元件的外径且中空管模具的长度大于支柱元件的长度；
S3、将光纤布拉格传感器与同轴夹具、中空管模具进行限位固定，使光纤布拉格传感器的侧端面与同轴夹具的端面接触，同时中空管模具套设在支柱元件的外部且中空管模具的侧端面嵌设在同轴夹具的环形槽内；
S4、将限位固定后的同轴夹具与中空管模具竖直放置，同轴夹具置于下侧位置，中空管模具置于上侧位置，在中空管模具内填充聚醚砜溶液；
S5、将中空管模具竖直摆放，放入60℃-80℃的烘箱中进行聚醚砜溶液蒸发，完成聚醚砜溶液在光纤布拉格传感器表面的涂覆；
S6、将涂覆完成的光纤布拉格传感器以及同轴夹具、中空管模具整体放入清水中，使同轴夹具与中空管模具溶解，待溶解完毕，光纤布拉格传感器的涂覆完成。
本发明的进一步改进在于：步骤S4中，聚醚砜溶液是将聚醚砜粉末溶解于N-N二甲基甲酰胺中制备而成的溶液。
本发明的进一步改进在于：按重量份数计选取20-30份的聚醚砜粉末以及80-100份的N-N二甲基甲酰胺，将两者置于烧瓶中，以150-250r/min的速度搅拌2-3h，得到混合均匀的聚醚砜溶液。
本发明的进一步改进在于：步骤S2中，环形槽与支柱元件、中空管模具同轴设置。
本发明的进一步改进在于：步骤S2中，夹具本体的外侧端面凸出于中空管模具的外端面设置。
本发明的进一步改进在于：步骤S1中，同轴夹具以及中空管模具均由PVA水溶性材料通过3D打印制备而成。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明通过采用水溶性材料进行3D打印制备同轴夹具和中空管模具，通过在与光纤布拉格传感器同心的中空管模具内注入聚醚砜溶液，并且将中空管模具竖直摆放进行溶液蒸发，从而实现聚醚砜材料在光纤布拉格传感器的表面的涂覆，避免重力对光纤布拉格传感器表面均匀程度的影响，提高了聚醚砜涂层的均匀程度和涂覆的可重复性，进而提高了光纤布拉格传感器的一致性，同时水溶性材料制备的同轴夹具以及中空管模具在脱模时可通过水溶解的方式快速脱模，实现无损装配和无损脱模，使得聚醚砜材料涂覆过程不损伤传感器栅区，不影响传感器的性能。
附图说明：
图1为本发明的步骤示意图。
图2为本发明中光纤布拉格传感器与同轴夹具、中空管模具的结构示意图。
图3为本发明中光纤布拉格传感器与同轴夹具、中空管模具连接后的结构示意图。
图中标号：
1-光纤芯体、2-支柱元件、3-同轴夹具、4-中空管模具；
31-夹具本体、32-通孔、33-环形槽。
具体实施方式：
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语指示方位或位置关系，如为基于附图所示的方位或位置关系，仅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结构或单元必须具有特定的方位，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除另有明确规定和限定，如有“连接”“设有”“具有”等术语应作广义去理解，例如可以是固定连接，可以是拆卸式连接，或一体式连接，可以说机械连接，也可以是直接相连，可以通过中间媒介相连，对于本领域技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的基本含义。
一种涂覆聚醚砜材料于光纤布拉格传感器表面的方法，如图1至图3所示，光纤布拉格传感器包括光纤芯体1以及置于光纤芯体1上的支柱元件2，光纤芯体1的两侧端凸出于支柱元件2，具体步骤包括：
S1、根据光纤布拉格传感器的尺寸，确定同轴夹具3以及中空管模具4的尺寸；
S2、采用水溶性材料进行3D打印同轴夹具3以及中空管模具4；同轴夹具3包括夹具本体31以及置于夹具本体31中心的通孔32，任意光纤芯体1的一端贯穿通孔32设置，且光纤芯体1靠近支柱元件2的端面具有向内凹陷的环形槽33；中空管模具4为内部中空的柱状结构，中空管模具4的内径大于支柱元件2的外径且中空管模具4的长度大于支柱元件2的长度；
S3、将光纤布拉格传感器与同轴夹具3、中空管模具4进行限位固定，使光纤布拉格传感器的侧端面与同轴夹具3的端面接触，同时中空管模具4套设在支柱元件2的外部且中空管模具4的侧端面嵌设在同轴夹具3的环形槽33内；
S4、将限位固定后的同轴夹具3与中空管模具4竖直放置，同轴夹具3置于下侧位置，中空管模具4置于上侧位置，在中空管模具4内填充聚醚砜溶液；
S5、将中空管模具4竖直摆放，放入60℃-80℃的烘箱中进行聚醚砜溶液蒸发，完成聚醚砜溶液在光纤布拉格传感器表面的涂覆；
S6、将涂覆完成的光纤布拉格传感器以及同轴夹具3、中空管模具4整体放入清水中，使同轴夹具3与中空管模具4溶解，待溶解完毕，光纤布拉格传感器的涂覆完成。
本发明通过采用水溶性材料进行3D打印制备同轴夹具3和中空管模具4，通过在与光纤布拉格传感器同心的中空管模具4内注入聚醚砜溶液，并且将中空管模具4竖直摆放进行溶液蒸发，从而实现聚醚砜材料在光纤布拉格传感器的表面的涂覆，避免重力对光纤布拉格传感器表面均匀程度的影响，提高了聚醚砜涂层的均匀程度和涂覆的可重复性，进而提高了光纤布拉格传感器的一致性，同时水溶性材料制备的同轴夹具3以及中空管模具4在脱模时可通过水溶解的方式快速脱模，实现无损装配和无损脱模，使得聚醚砜材料涂覆过程不损伤传感器栅区，不影响传感器的性能。
本申请中的光纤布拉格传感器是传感器中心波长随传感器所处温度和所受应力线性变化的光纤传感器，聚醚砜材料是一种会在CO2气体中发生明显形变的高分子气敏材料。
在上述实施例基础上，优选方案为，步骤S4中，聚醚砜溶液是将聚醚砜粉末溶解于N-N二甲基甲酰胺中制备而成的溶液。
在上述实施例基础上，优选方案为，按重量份数计选取20-30份的聚醚砜粉末以及80-100份的N-N二甲基甲酰胺，将两者置于烧瓶中，以150-250r/min的速度搅拌2-3h，得到混合均匀的聚醚砜溶液。
在上述实施例基础上，优选方案为，步骤S2中，环形槽33与支柱元件2、中空管模具4同轴设置，保证中空管模具4的内壁与支柱元件2的外壁保持一致的间隙，从而实现聚醚砜材料在光纤布拉格传感器表面涂覆的均匀性。
在上述实施例基础上，优选方案为，步骤S2中，夹具本体31的外侧端面凸出于中空管模具4的外端面设置。
在上述实施例基础上，优选方案为，步骤S1中，同轴夹具3以及中空管模具4均由PVA水溶性材料通过3D打印制备而成。
在3D打印水溶性的中空管模具4中填充聚醚砜溶液时，中空管模具4的内壁不会与聚醚砜溶液发生反应，且中空管模具4在70℃蒸发时保持稳定，聚醚砜溶液蒸发完成后，将3D打印的同轴夹具3和中空管模具4泡入水中，即实现快速完全溶解。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种涂覆聚醚砜材料于光纤布拉格传感器表面的方法，所述光纤布拉格传感器包括光纤芯体（1）以及置于光纤芯体（1）上的支柱元件（2），所述光纤芯体（1）的两侧端凸出于支柱元件（2），其特征在于， 具体步骤包括：
S1、根据光纤布拉格传感器的尺寸，确定同轴夹具（3）以及中空管模具（4）的尺寸；
S2、采用水溶性材料进行3D打印同轴夹具（3）以及中空管模具（4）；所述同轴夹具（3）包括夹具本体（31）以及置于夹具本体（31）中心的通孔（32），任意光纤芯体（1）的一端贯穿通孔（32）设置，且光纤芯体（1）靠近支柱元件（2）的端面具有向内凹陷的环形槽（33）；所述中空管模具（4）为内部中空的柱状结构，所述中空管模具（4）的内径大于支柱元件（2）的外径且中空管模具（4）的长度大于支柱元件（2）的长度；
S3、将光纤布拉格传感器与同轴夹具（3）、中空管模具（4）进行限位固定，使光纤布拉格传感器的侧端面与同轴夹具（3）的端面接触，同时中空管模具（4）套设在支柱元件（2）的外部且中空管模具（4）的侧端面嵌设在同轴夹具（3）的环形槽（33）内；
S4、将限位固定后的同轴夹具（3）与中空管模具（4）竖直放置，同轴夹具（3）置于下侧位置，中空管模具（4）置于上侧位置，在中空管模具（4）内填充聚醚砜溶液；
S5、将中空管模具（4）竖直摆放，放入60℃-80℃的烘箱中进行聚醚砜溶液蒸发，完成聚醚砜溶液在光纤布拉格传感器表面的涂覆；
S6、将涂覆完成的光纤布拉格传感器以及同轴夹具（3）、中空管模具（4）整体放入清水中，使同轴夹具（3）与中空管模具（4）溶解，待溶解完毕，光纤布拉格传感器的涂覆完成。
2.根据权利要求1所述一种涂覆聚醚砜材料于光纤布拉格传感器表面的方法，其特征在于，所述步骤S4中，聚醚砜溶液是将聚醚砜粉末溶解于N-N二甲基甲酰胺中制备而成的溶液。
3.根据权利要求2所述一种涂覆聚醚砜材料于光纤布拉格传感器表面的方法，其特征在于，按重量份数计选取20-30份的聚醚砜粉末以及80-100份的N-N二甲基甲酰胺，将两者置于烧瓶中，以150-250r/min的速度搅拌2-3h，得到混合均匀的聚醚砜溶液。
4.根据权利要求3所述一种涂覆聚醚砜材料于光纤布拉格传感器表面的方法，其特征在于，所述步骤S2中，环形槽（33）与支柱元件（2）、中空管模具（4）同轴设置。
5.根据权利要求4所述一种涂覆聚醚砜材料于光纤布拉格传感器表面的方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述夹具本体（31）的外侧端面凸出于中空管模具（4）的外端面设置。
6.根据权利要求5所述一种涂覆聚醚砜材料于光纤布拉格传感器表面的方法，其特征在于，所述步骤S1中，同轴夹具（3）以及中空管模具（4）均由PVA水溶性材料通过3D打印制备而成。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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