高靈敏度光纖溫度及側向壓力傳感器的制備方法
【專利摘要】本發明屬于光纖傳感器領域，具體涉及一種利用聚二甲基硅氧烷封裝S形光纖錐制作高靈敏度光纖溫度及側向壓力傳感器的方法。首先將一段單模光纖放入光纖熔接機進行偏軸拉錐制作出S形光纖錐，然后將S形光纖錐固定在一個具有凹槽的模具中并倒入配好的PDMS溶液，最后將模具放入烘箱加熱使PDMS固化將S形光纖錐封裝起來，得到高靈敏度光纖溫度及側向壓力傳感器。本方法工藝簡單、制作容易、成本低廉，所制得的傳感器結構簡單、靈敏度高。
【專利說明】高靈敏度光纖溫度及側向壓力傳感器的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光纖傳感器領域，特別是涉及一種高靈敏度光纖溫度及側向壓力傳感器的制備方法。
【背景技術】
[0002]光纖傳感器具有尺寸小、響應快、耐腐蝕、抗電磁干擾等諸多優點，近年來受到人們的廣泛關注并獲得了快速發展，已經被應用于物理、化學及生物等多個傳感領域。其中，光纖溫度及側向壓力傳感器在易燃易爆氣體或液體的溫度與壓力監測、建筑物結構健康監測、電力系統溫度監測以及復合材料損傷監測等多個領域都有重要應用。人們開發了各種結構的光纖傳感器用于溫度及側向壓力的測量，如光纖Bragg光柵、長周期光纖光柵和各類光纖干涉儀。光纖Bragg光柵具有探測精度高、可分布式傳感等優點，但其溫度及側向壓力靈敏度偏低。長周期光纖光柵具有較高的靈敏度，但其對彎曲具有較大的交叉敏感性。此夕卜，光纖Bragg光柵和長周期光纖光柵的制作涉及到昂貴的激光器、掩模板和精密的實驗光路，其制備工藝復雜且成本較高。而利用光纖干涉儀制作的光纖傳感器具有結構簡單、制備容易、成本低廉等優點，近年來受到人們的重視。國內外各光纖傳感器研究組利用光纖熔接機制備了多種結構新穎的光纖干涉儀傳感器，包括光纖錐馬赫-曾德爾干涉儀、微米光纖錐模式干涉儀、光纖微腔法布里-珀羅干涉儀以及光纖探頭多模干涉儀等等。雖然這些光纖干涉儀傳感器的制備方法簡單，但傳感靈敏度普遍偏低。如何簡化制備工藝并獲得高靈敏度的光纖溫度及側向壓力傳感器一直是人們追求的目標。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提供一種工藝簡單的制備高靈敏度光纖溫度及側向壓力傳感器的方法。
[0004]為此，本發明的技術方案如下:
[0005]一種高靈敏度光纖溫度及側向壓力傳感器的制備方法，包括以下步驟:
[0006]I)手動調整熔接機兩側光纖夾具的軸向偏移量；
[0007]2)將一段單模光纖去除長度為20?50mm的涂覆層，然后將其放入光纖熔接機的夾具上固定，調整好拉錐電流大小和放電時間，然后進行偏軸拉錐，制作出S形光纖錐；
[0008]3)將步驟2)制得的S形光纖錐固定在耐熱模具內的凹槽中，并倒入由聚二甲基硅氧烷(PDMS)與固化劑按質量比10:1配好的溶液，然后將該耐熱模具放入烘箱中加熱，使PDMS固化、將S形光纖錐封裝起來，得到所述高靈敏度光纖溫度及側向壓力傳感器。
[0009]本發明所使用的光纖熔接機具備拉錐功能，其與普通光纖熔接機的不同之處在于熔接機中光纖夾具的位置可以手動調節，以便進行偏軸拉錐，制備出S形光纖錐。進行偏軸拉錐時，先對熔接機內光纖夾具的位置進行手動調節，使他們在軸向上產生一定的偏移量，即變得不同軸。可以固定左端的光纖夾具，而移動右端的夾具使兩者在軸向上產生50?500 μ m的相對偏移量，然后夾住光纖進行拉錐。[0010]在步驟2)中，所使用的單模光纖是通信用單模石英光纖。所述通信用單模石英光纖為ITU-T標準中的G.652、G.653、G.654、G.655和G.656類型中的任意一種。
[0011]優選的是，在步驟2)中，拉錐電流為8?12mA，放電時間為8?15s。
[0012]在制作S形光纖錐時，將所述單模光纖前后兩側向相反方向彎曲，形成“S”形，該S形光纖錐由前后兩個方向相反的彎曲部分和中間的錐腰組成，所述S形光纖錐的整體長度為550?900 μ m,錐腰直徑為40?80 μ m。
[0013]在步驟3)中，所述S形光纖錐在凹槽中的位置是S形光纖錐所在的平面垂直于凹槽底面或與凹槽底面成45°角。當S形光纖錐所在平面垂直于凹槽底面時，最終得到的傳感器的側壓靈敏度是與方向有關的，當側壓方向與S形光纖錐所在平面平行時，其靈敏度最高；當S形光纖錐所在平面與凹槽底面成45°角時，傳感器的側壓靈敏度與方向無關，因為不管從哪個側面施加壓力，壓力方向與S形光纖錐所在平面都是45°，不影響測量結果。
[0014]在步驟3)中，所使用的帶有凹槽的模具由能耐受100°C溫度處理不變形且易于加工的材料制作的，可以是特氟龍、玻璃、鋁、銅、鋼或合金，但不限于這些材料。凹槽的形狀可以是長方體或者立方體，當是長方體時，凹槽的長為2?20mm，寬高相等，均為2?10mm。
[0015]在步驟3)中，所述固化劑為Dow Corning Corporation生產的SYLGARD184固化劑(curing agent)。
[0016]在步驟3)中，在進行加熱時，所述烘箱內的溫度為100°C，恒溫加熱2小時。
[0017]本發明所述方法制備的高靈敏度光纖溫度及側向壓力傳感器比現行公開的傳感器如光纖Bragg光柵、長周期光纖光柵和光纖干涉儀制作的傳感器靈敏度高了一個或幾個數量級，且其結構簡單、制備容易、成本低廉。所制得的傳感器適用于易燃易爆氣體或液體的溫度及壓力監測、建筑物結構健康監測、電力系統溫度監測、復合材料損傷監測等多個領域。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明的方法中，進行拉錐時所使用的實驗裝置示意圖；
[0019]圖2為本發明的方法制得的S形光纖錐的光學顯微鏡圖；
[0020]圖3為本發明的方法中，進行封裝時采用的實驗裝置示意圖；
[0021]圖4是本發明中PDMS封裝S形光纖錐的結構示意圖；
[0022]圖5是本發明的實施例1制得的PDMS封裝S形光纖錐的透射光譜圖；
[0023]圖6為本發明的實施例1制得的傳感器的溫度傳感實驗結果；
[0024]圖7為本發明的實施例4制得的傳感器的透射光譜圖；
[0025]圖8為實施例4制得的傳感器的側向壓力傳感實驗結果。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖對本發明作舉例進行詳細說明。
[0027]在下述實施例中，所使用的固化劑均為SYLGARD184固化劑。
[0028]實施例1-制作S形光纖錐
[0029]本實施例采用愛立信FSU975光纖熔接機對通信用單模光纖(Corning SMF_28e，符合G.652標準)進行偏軸拉錐制作S形光纖錐。[0030]實驗裝置的示意圖如圖1所示，寬帶信號光由光源I (NKT Photonics, SuperkCompact)提供,經單模光纖2、2’接入光譜分析儀6 (Yokogawa,AQ6370B),對透射光譜進行實時監測與記錄。光纖熔接機5如圖中虛線框所示，包括可調節位置的光纖夾具3、3’和電弧放電電極4、4’。將光纖樣品放入熔接機前，先手動調節兩光纖夾具的位置。保持左側光纖夾具3不動，僅調整右側光纖夾具3’，使其向上移動160 μ m。然后將去掉20mm涂覆層的光纖放入光纖夾具3、3’中固定，使無涂覆層部分位于兩夾具之間。在光纖熔接機上新建一個光纖拉錐程序，設置放電電流為10mA，拉錐時間為10s。最后運行拉錐程序，得到如圖2所示的S形光纖錐(PSFT-1)。其錐腰處直徑為64 μ m，兩側的相對偏移量為125μπι。
[0031]實施例2-封裝
[0032]對實施例1制作的S形光纖錐進行PDMS封裝，制備高靈敏度光纖溫度及側向壓力傳感器。
[0033]參見圖3，先將S形光纖錐9放入特氟龍模具7中間的長方體凹槽8內。凹槽的尺寸為5mmX 5mmX 10mm。調整S形光纖錐的位置,使S形光纖錐所在的平面垂直于凹槽底部，然后用磁性光纖夾具10、10’固定住光纖兩端。
[0034]將配置好的PDMS溶液(PDMS與固化劑的質量比為10:1)緩緩倒滿凹槽。最后將整個模具放入烘箱內，設置溫度為100°c，恒溫兩小時使PDMS固化，得到高靈敏度光纖溫度及側向壓力傳感器，其結構示意圖如圖4所示。
[0035]實施例3
[0036]對實施例2制備的PDMS封裝S形光纖錐樣品PSFT-1進行溫度傳感實驗。
[0037]圖5給出的是PSFT-1的透射光譜，其具有多個明顯的諧振峰。實驗過程中選擇峰11進行監測和記錄。將PSFT-1放入油浴槽中進行溫度測試，油浴槽的控溫精度為0.0re,測溫范圍從20°c到65°C，溫度間隔2.5°C，每個溫度保持10分鐘，待光譜穩定后進行記錄。隨著溫度的升高，PSFT-1的透射光譜發生藍移，即峰11的波長向短波方向變化。PSFT-1的溫度測試結果如圖6所示，對其進行線性擬合，可得溫度靈敏度為-2.17nm/°C，比傳統的光纖Bragg光柵溫度傳感器高了兩個數量級。
[0038]實施例4
[0039]按照實施例1所描述的方法制作S形光纖錐，其它條件均相同，所不同的是:調整光纖夾具3’向上移動140 μ m,設置放電電流為IOmA,拉錐時間為Ils,制備出S形光纖錐樣品2。
[0040]將上述樣品按實施例2所述方法進行操作，得到PDMS封裝S形光纖錐樣品2(PSFT-2)，其透射光譜如圖7所示，也具有多個諧振峰。
[0041]對PSFT-2進行側向壓力傳感實驗并監測和記錄峰12的波長變化。調整好PSFT-2的方向，使外部側向壓力的方向與S形光纖錐所在平面平行，可以得到最大的側向壓力靈敏度。在PSFT-2的頂面加一塊載玻片，使其受力均勻，然后在載玻片上逐漸疊加砝碼，施加側向壓力，壓力范圍從ON到5.5N。隨著側向壓力的增大,透射光譜向短波方向移動,每次測試待光譜穩定后進行記錄。
[0042]圖8給出了諧振峰12隨側向壓力變化的結果。側向壓力的響應出現了兩個不同的區間，當側向壓力小于2N時，波長變化較快，即靈敏度較大，而當側向壓力大于2N時波長變化較慢，即靈敏度較小。這是由于施加一個初始的側向壓力時(< 2N)，S形光纖錐的形狀會發生較大的變化，使得波長漂移量較大，當繼續施加側向壓力時，S形光纖錐的形狀變化較小，對波長漂移量的貢獻減弱。這一特性使得PDMS封裝S形光纖錐在較小的側向壓力作用時具有很高的靈敏度。對圖8所示PSFT-2的側向壓力測試結果進行分段線性擬合，可得當側向壓力在O~2N之間時，PSFT-2的側壓靈敏度為-29.03nm/N,當側向壓力在2N到
5.5N之間時，PSFT-2的側壓靈敏度為-13.50nm/N。其側向壓力靈敏度比傳統的光纖側向壓力傳感器提高了至少1-2個量級。
[0043]本發明所述方法制備的高靈敏度光纖溫度及側向壓力傳感器主要由兩部分構成，即S形光纖錐和PDMS封裝層。S形光纖錐是一種光纖馬赫-曾德爾干涉儀結構，它的折射率和軸向應變靈敏度都很高，但對溫度不敏感。當利用PDMS封裝S形光纖錐形成新的器件后，可以將S形光纖錐對折射率和軸向應變的敏感性轉換到新器件對溫度和側向壓力的高靈敏度檢測上。其對溫度的敏感性源于PDMS具有較高的熱光系數(~-1.5X 10-4/°C)和熱膨脹系數(325X 10-6/°C)。當溫度升高時，PDMS的折射率減小并發生膨脹。折射率減小使得S形光纖錐透射譜發生藍移，PDMS膨脹對S形光纖錐產生軸向拉力也將使其諧振峰藍移，兩者共同作用提高了溫度傳感器性能。而對于高靈敏度的側向壓力傳感，主要是由于PDMS具有較低的彈性模量(750kPa)和較大的泊松比(0.45 )。當PDMS封裝層受到側向壓力作用時，會在軸向產生膨脹并對S形光纖錐施加軸向拉力使光譜向短波方向移動。由于S形光纖錐結構具有顯著的不對稱性，當側向壓力的方向平行或垂直于S形光纖錐所在平面時，其響應靈敏度有較大區別。如果側向壓力平行于S形光纖錐所在平面時，隨著壓力的增大，S形光纖錐形狀也會發生較大的變化，使光譜藍移，進一步增大了器件側向壓力靈敏度。所以當壓力方向平行于S形光纖錐所在平面時，可以得到最大的側向壓力靈敏度。
【權利要求】
1.一種高靈敏度光纖溫度及側向壓力傳感器的制備方法，其特征在于包括以下步驟: 1)手動調整熔接機兩側光纖夾具的軸向偏移量； 2)將一段單模光纖去除長度為20?50mm的涂覆層，然后將其放入光纖熔接機的夾具上固定，調整好拉錐電流大小和放電時間，然后進行偏軸拉錐，制作出S形光纖錐； 3)將步驟2)制得的S形光纖錐固定在耐熱模具內的凹槽中，并倒入由PDMS與固化劑按質量比10:1配好的溶液，然后將該耐熱模具放入烘箱中加熱，使PDMS固化、將S形光纖錐封裝起來，得到所述高靈敏度光纖溫度及側向壓力傳感器。
2.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于:在步驟I)中，所述熔接機兩側光纖夾具的軸向偏移量為50?500 μ m。
3.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于:在步驟2)中，所使用的單模光纖是通信用單模石英光纖。
4.如權利要求3所述的制備方法，其特征在于:所述通信用單模石英光纖為ITU-T標準中的G.652、G.653、G.654、G.655和G.656類型中的任意一種。
5.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于:在步驟2)中，拉錐電流為8?12mA，放電時間為8?15s。
6.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于:在制作S形光纖錐時，將所述單模光纖前后兩側向相反方向彎曲，形成“S”形，該S形光纖錐由前后兩個方向相反的彎曲部分和中間的錐腰組成，所述S形光纖錐的整體長度為550?900 μ m,錐腰直徑為40?80 μ m。
7.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于:在步驟3)中，所述S形光纖錐在凹槽中的位置是S形光纖錐所在的平面垂直于凹槽底面或與凹槽底面成45°角。
8.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于:在步驟3)中，所述耐熱模具的耐受溫度> 100°C，耐熱模具的材料是特氟龍、玻璃、鋁、銅、鋼或合金。
9.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于:在步驟3)中，所述耐熱模具內的凹槽為長方體形或正方體形，當所述凹槽為長方體時，所述凹槽的長度為2?20mm，寬度和高度相等，均為2?10mm。
10.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于:在步驟3)中，所述固化劑為SYLGARD184固化劑；在進行加熱時，所述烘箱內的溫度為100°C，恒溫加熱2小時。
【文檔編號】G01K11/32GK103487163SQ201310409864
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月10日 優先權日:2013年9月10日
【發明者】楊先輝, 楊睿, 劉鎮領, 于永森, 朱禮斌, 萬之套, 杜成良, 楊皓 申請人:中國石油集團渤海鉆探工程有限公司