專(zhuān)利名稱(chēng)：水凝膠作敏感元件的光纖光柵濕度傳感器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖光柵傳感領(lǐng)域，尤其涉及一種水凝膠作敏感元件的光纖光柵濕度 傳感器及其制作方法。
背景技術(shù)：
光纖可用做傳遞信息的光信道，也可用作傳感器。光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年 代隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的，其特點(diǎn)是以光波為載體、光纖為媒質(zhì)、感知 并傳輸外部測(cè)量信號(hào)。光纖之所以能用作傳感器是由于它的光束參數(shù)(諸如幅度、相位、波 長(zhǎng)、頻率、偏振狀態(tài)等)對(duì)溫度、壓力、電磁場(chǎng)、振動(dòng)位移等環(huán)境因素具有敏感性。光纖傳感器 的優(yōu)點(diǎn)是不導(dǎo)電、重量輕、體積小、耐高溫和電磁輻射、柔性好、耐腐蝕，這些優(yōu)點(diǎn)使它適合 于易燃、易爆、空間受限及強(qiáng)電磁干擾的惡劣環(huán)境下使用。因此，光纖傳感器一問(wèn)世便受到 極大的重視，幾乎在各個(gè)領(lǐng)域得到研究和應(yīng)用，成為現(xiàn)代傳感器的先導(dǎo)，推動(dòng)著傳感技術(shù)的 蓬勃發(fā)展。光纖光柵傳感器是波長(zhǎng)調(diào)制型傳感器。它對(duì)波長(zhǎng)敏感而對(duì)光強(qiáng)不敏感。因此，其對(duì) 光波的波動(dòng)、光波的極化與傳輸損耗不敏感。另外光纖光柵傳感器具有線(xiàn)性響應(yīng)、易于集成 和插入損耗小的優(yōu)點(diǎn)。使得它能用作多路傳輸，能埋于被測(cè)材料中，便于測(cè)出材料的內(nèi)部應(yīng) 力和溫度場(chǎng)，光纖光柵傳感器的發(fā)明在光傳感領(lǐng)域和光纖通信中是一件大事。光纖光柵傳 感器可以應(yīng)用的領(lǐng)域包括應(yīng)力、溫度、壓力和液體濃度的測(cè)試等等。而其最有價(jià)值的應(yīng)用領(lǐng) 域應(yīng)是多點(diǎn)多參數(shù)的應(yīng)力和溫度測(cè)試，可被應(yīng)用于智能材料等復(fù)合材料內(nèi)部損傷檢測(cè)中。水凝膠可定義為在水中能夠溶脹并保持大量水分而又不能溶解的交聯(lián)聚合物。親 水的小分子能夠在水凝膠中擴(kuò)散，水凝膠具有良好的生物相容性。自20世紀(jì)40年代以來(lái)， 有關(guān)水凝膠的合成、理化性質(zhì)以及在生物化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中的應(yīng)用研究十分活躍。高分子 水凝膠可以在水中膨脹至一個(gè)平衡狀態(tài)，被認(rèn)為是一種生物適合性材料。高分子水凝膠的 含水量取決于高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并可對(duì)外界環(huán)境變化作出響應(yīng)，例如外界環(huán)境的濕度變化、 鹽度變化、酸堿度變化等等。所謂智能型水凝膠是指對(duì)外來(lái)刺激具有可逆響應(yīng)性、在水中可 以溶脹的凝膠。由于這類(lèi)材料對(duì)外來(lái)刺激的可逆響應(yīng)性使其在分子器件、調(diào)光材料、生物活 性物質(zhì)的溫和、高效分離等高新技術(shù)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服傳統(tǒng)技術(shù)的不足，提供一種使用水凝膠作敏感元件的光纖光 柵濕度傳感器及其制作方法。本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案為
水凝膠作敏感元件的光纖光柵濕度傳感器包括濕度敏感單元、固定架、彈簧和支撐筒。凹型的固定架內(nèi)設(shè)置有濕度敏感單元、彈簧和支撐筒，濕度敏感單元一端與固定 架的一個(gè)內(nèi)側(cè)壁固定，濕度敏感單元另一端與支撐筒的一端固定，支撐筒的另一端貫穿固 定架的另一個(gè)內(nèi)側(cè)壁活動(dòng)設(shè)置，支撐筒上套置有彈簧，彈簧的一端與濕度敏感單元另一端連接，彈簧的另一端與固定架的另一個(gè)內(nèi)側(cè)壁連接。所述的濕度敏感單元包括光纖光柵、第一固定圓盤(pán)、第二固定圓盤(pán)和水凝膠，第一 固定圓盤(pán)和第二固定圓盤(pán)之間設(shè)置有光纖光柵，光纖光柵由水凝膠包覆，水凝膠和光纖光 柵構(gòu)成濕度敏感單元中的敏感器；光纖光柵一側(cè)的光纖依次穿過(guò)第一固定圓盤(pán)和固定架的 一個(gè)內(nèi)側(cè)壁后延伸至外界，光纖光柵另一側(cè)的光纖依次穿過(guò)第二固定圓盤(pán)、支撐筒和固定 架的另一個(gè)內(nèi)側(cè)壁后延伸至外界。所述的濕度敏感單元和支撐筒同軸設(shè)置。敏感器的制作方法包括如下步驟
先將一根單模光纖剝掉外面的保護(hù)層，并將其置于110 140Mpa，130 150°C的條件 下載氫48小時(shí)。利用波長(zhǎng)為MSnm的KrF激光器，利用相位掩膜法刻寫(xiě)光纖光柵。寫(xiě)好的光 纖光柵在130 150°C條件下退火對(duì)小時(shí)，趕出殘留在光纖中的氫。然后將兩個(gè)夾子固定在 光柵的兩端。為了提高傳感器的靈敏度，采用氫氟酸腐蝕光柵來(lái)減小光柵的橫截面積，然后 將其合成在凝膠包層中。凝膠合成所采用的單體是3(^71_1如，交聯(lián)劑是隊(duì)^-111討1^161^ bisacrylamide.使用時(shí)須將以上兩種試劑精制、提純。紫外引發(fā)劑為ketoglutaric acid。 按單體、交聯(lián)劑、紫外引發(fā)劑的質(zhì)量比為86 12 2配置好凝膠溶液后，在紫外燈下照射3 -4小時(shí)，凝膠即可合成。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明通過(guò)水凝膠與光纖光柵的結(jié)合，利用水凝膠體積隨外 部環(huán)境濕度變化而產(chǎn)生張力來(lái)改變光纖光柵布拉格波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了將外界環(huán)境濕度轉(zhuǎn)移到光 纖光柵波長(zhǎng)偏移量之間的轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)外界環(huán)境的濕度進(jìn)行傳感的目的。進(jìn)一步地 用氫氟酸對(duì)光纖光柵進(jìn)行腐蝕以減小光柵的橫截面積，有效地提高了傳感器的靈敏度且擴(kuò) 大了它的調(diào)諧范圍。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明中凝膠的聚合裝置示意圖。圖3為本發(fā)明使用示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明的原理是當(dāng)水凝膠處于潮濕環(huán)境中，水凝膠吸水體積膨脹，內(nèi)嵌于水凝膠 中的光纖光柵由于水凝膠膨脹而產(chǎn)生機(jī)械拉伸，光纖光柵布拉格周期也就變大。當(dāng)傳感器 放置在干燥環(huán)境中時(shí)，凝膠會(huì)釋放水分而收縮。由于水凝膠膨脹時(shí)在光纖光柵中引入的張 力隨著凝膠的收縮則會(huì)導(dǎo)致光纖光柵跟著收縮，那么光纖光柵的布拉格波長(zhǎng)也會(huì)減小。由 于水凝膠的收縮的大小取決于環(huán)境的濕度，即環(huán)境的濕度越大，凝膠的膨脹越大，則布拉格 波長(zhǎng)就會(huì)更大。因此，光纖光柵的布拉格波長(zhǎng)的移動(dòng)量就直接與環(huán)境的濕度有關(guān)。檢測(cè)光 纖光柵的反射或透射波長(zhǎng)即可獲得傳感信息。由于凝膠的膨脹的力較小，布拉格波長(zhǎng)的變 化也就很小。為了提高傳感器的靈敏度，采用氫氟酸腐蝕光纖光柵來(lái)減小光纖光柵包層的 橫截面積，可大大提高了該傳感器的靈敏度。參照?qǐng)D1，水凝膠作敏感元件的光纖光柵濕度傳感器包括濕度敏感單元、固定架
42、彈簧7和支撐筒8。凹型的固定架內(nèi)設(shè)置有濕度敏感單元、彈簧和支撐筒，濕度敏感單元一端與固定 架的一個(gè)內(nèi)側(cè)壁固定，濕度敏感單元另一端與支撐筒的一端固定，支撐筒的另一端貫穿固 定架的另一個(gè)內(nèi)側(cè)壁活動(dòng)設(shè)置，支撐筒上套置有彈簧，彈簧的一端與濕度敏感單元另一端 連接，彈簧的另一端與固定架的另一個(gè)內(nèi)側(cè)壁連接；
濕度敏感單元包括光纖光柵5、第一固定圓盤(pán)3、第二固定圓盤(pán)6和水凝膠4，第一固定 圓盤(pán)和第二固定圓盤(pán)之間設(shè)置有光纖光柵，光纖光柵由水凝膠包覆，水凝膠和光纖光柵構(gòu) 成濕度敏感單元中的敏感器；光纖光柵一側(cè)的光纖1依次穿過(guò)第一固定圓盤(pán)和固定架的一 個(gè)內(nèi)側(cè)壁后延伸至外界，光纖光柵另一側(cè)的光纖依次穿過(guò)第二固定圓盤(pán)、支撐筒和固定架 的另一個(gè)內(nèi)側(cè)壁后延伸至外界。濕度敏感單元和支撐筒同軸設(shè)置。其中敏感器的制作方法包括如下步驟先將一根單模光纖(例如，康寧SMF28)剝 掉外面的保護(hù)層，并將其置于110 140Mpa，130 150°C的條件下載氫48小時(shí)。使用波長(zhǎng) 為MSnm的KrF激光器，采用相位掩膜法刻寫(xiě)光纖光柵。得到的光纖光柵在130 150°C條 件下退火M小時(shí)，趕出殘留在光纖中的氫。然后將兩個(gè)夾子固定在光柵的兩端。為了提高 傳感器的靈敏度，采用氫氟酸腐蝕光柵來(lái)減小光柵的橫截面積，然后將其合成在凝膠包層 中。參考圖2，為了提高傳感器的靈敏度，避免光纖光柵對(duì)彎曲的敏感，使凝膠更好地 作用在光柵上，將經(jīng)過(guò)氫氟酸腐蝕的光纖光柵經(jīng)清洗后，將第一固定圓盤(pán)和第二固定圓盤(pán) 分別固定在光柵的兩端。將光纖光柵放入一個(gè)兩端開(kāi)口的玻璃管10中然后將配置好的凝 膠溶液11從導(dǎo)管加入到玻璃管中，直到灌滿(mǎn)為止，然后在玻璃管兩端分別塞上第一橡皮塞 9和第二橡皮塞12。橡皮塞開(kāi)一個(gè)小孔使得光纖9連接到外界。接著凝膠溶液在波長(zhǎng)為 365nm的紫外光照射后聚合。參考圖3，寬帶光源13發(fā)出的光通過(guò)光纖14連接到濕度敏感單元15的輸入端，濕 度敏感單元15的輸出端通過(guò)光纖14連接光譜分析儀16的輸入端，光譜分析儀16的數(shù)據(jù) 輸出端口連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)17。系統(tǒng)工作時(shí)，當(dāng)濕度敏感單元的傳感環(huán)境變化時(shí)(環(huán)境 濕度的變化)，會(huì)引起輸入到光譜分析儀的光頻譜發(fā)生變化，光譜分析儀將采集到的光譜信 息發(fā)送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分析，計(jì)算得出環(huán)境的濕度。
權(quán)利要求
1.水凝膠作敏感元件的光纖光柵濕度傳感器，包括濕度敏感單元、固定架、彈簧和支撐 筒，其特征在于凹型的固定架內(nèi)設(shè)置有濕度敏感單元、彈簧和支撐筒，濕度敏感單元一端 與固定架的一個(gè)內(nèi)側(cè)壁固定，濕度敏感單元另一端與支撐筒的一端固定，支撐筒的另一端 貫穿固定架的另一個(gè)內(nèi)側(cè)壁活動(dòng)設(shè)置，支撐筒上套置有彈簧，彈簧的一端與濕度敏感單元 另一端連接，彈簧的另一端與固定架的另一個(gè)內(nèi)側(cè)壁連接；所述的濕度敏感單元包括光纖光柵、第一固定圓盤(pán)、第二固定圓盤(pán)和水凝膠，第一固定 圓盤(pán)和第二固定圓盤(pán)之間設(shè)置有光纖光柵，光纖光柵由水凝膠包覆，水凝膠和光纖光柵構(gòu) 成濕度敏感單元中的敏感器；光纖光柵一側(cè)的光纖依次穿過(guò)第一固定圓盤(pán)和固定架的一個(gè) 內(nèi)側(cè)壁后延伸至外界，光纖光柵另一側(cè)的光纖依次穿過(guò)第二固定圓盤(pán)、支撐筒和固定架的 另一個(gè)內(nèi)側(cè)壁后延伸至外界；所述的濕度敏感單元和支撐筒同軸設(shè)置。
2.一種制作如權(quán)利要求1中所述的敏感器方法，其特征在于包括如下步驟步驟1將一根單模光纖剝?nèi)ネ饷娴谋Ｗo(hù)層，并將其置于110 140Mpa，130 150°C的 條件下載氫48小時(shí)；步驟2使用波長(zhǎng)為248nm的KrF激光器，采用相位掩膜法刻寫(xiě)光纖，得到光纖光柵； 步驟3將光纖光柵在130 150°C條件下退火24小時(shí)，消除殘留在光纖中的氫； 步驟4采用氫氟酸腐蝕光纖光柵來(lái)減小光柵的橫截面積； 步驟5將腐蝕后的光纖光柵合成在凝膠包層中；所述的凝膠合成方法為將凝膠溶液配置好后，在紫外燈下照射3 - 4小時(shí)，凝膠即可 合成；所述的凝膠溶液包括單體、交聯(lián)劑和紫外引發(fā)劑，其質(zhì)量比為86 12 2 ； 所述的單體是acrylamide，交聯(lián)劑是N, N’ -methylene bisacrylamide ；紫外引發(fā)劑是 ketoglutaric acid。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種水凝膠作敏感元件的光纖光柵濕度傳感器及其制作方法。本發(fā)明中的光纖光柵濕度傳感器包括濕度敏感單元、固定架、彈簧和支撐筒。凹型的固定架內(nèi)設(shè)置有濕度敏感單元、彈簧和支撐筒，濕度敏感單元一端與固定架的一個(gè)內(nèi)側(cè)壁固定，濕度敏感單元另一端與支撐筒的一端固定，支撐筒的另一端貫穿固定架的另一個(gè)內(nèi)側(cè)壁活動(dòng)設(shè)置，支撐筒上套置有彈簧，彈簧的一端與濕度敏感單元另一端連接，彈簧的另一端與固定架的另一個(gè)內(nèi)側(cè)壁連接。本發(fā)明通過(guò)水凝膠與光纖光柵的結(jié)合，利用水凝膠體積隨外部環(huán)境濕度變化而產(chǎn)生張力來(lái)改變光纖光柵布拉格波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了將外界環(huán)境濕度轉(zhuǎn)移到光纖光柵波長(zhǎng)偏移量之間的轉(zhuǎn)化。
文檔編號(hào)G01N21/17GK102095687SQ201110020570
公開(kāi)日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2011年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月18日
發(fā)明者施學(xué)良, 章獻(xiàn)民, 鄭史烈 申請(qǐng)人:漢鼎信息科技股份有限公司