殼聚糖薄膜高性能光纖壓力傳感頭及其製作方法

2023-10-07 05:48:04 2

專利名稱：殼聚糖薄膜高性能光纖壓力傳感頭及其製作方法
技術領域：
本發明屬於光纖技術和高分子薄膜製備技術的交叉領域，具體涉及到將殼聚糖和戊二醛應用於膜片式光纖壓力傳感頭及其製作方法。
背景技術：
光纖傳感器具有電絕緣、抗電磁幹擾、靈敏度高、耐高溫耐腐蝕、傳感器端無源因而本質安全，無需信號轉換和放大器即可遠距離傳輸，以及體積小、重量輕，能與當前的光纖數字通信系統相兼容等優點，因此在很多領域都獲得了應用，膜片式光纖傳感器是光纖傳感領域的一個重要研究方向。近年來，隨著膜片式光纖傳感器的深入應用，尋找製作簡單、快捷，精度高，靈敏度高，安全可靠、穩定性好的膜片式光纖壓力傳感頭成為人們的一個研究熱點，並且這種膜片式光纖壓力傳感器具有很大的市場潛力。
圖I是膜片式光纖壓力傳感頭的一種典型結構，利用粘結劑或者熱熔的方法在毛細管的一端連接一段石英管或者玻璃管，然後把矽片或者石英片固定在石英管或者玻璃管端面，固定的方法有粘結劑等方法，但是存在以下缺點(I)採用環氧樹脂等粘結劑固定以後，粘結劑的熱膨脹係數會影響光纖傳感頭的溫度性能，另外，傳感頭在溶液中受到超聲波或其他強烈震動信號作用時，膜片容易從端面脫落；(2)如果是石英膜片，固定的方法還可以採用雷射熱熔的方法，從而改變石英膜片脫落的缺點，並且可以解決粘結劑降低其溫度性能的缺點，但是雷射熱熔的過程中，尤其是為了提高光纖傳感頭的靈敏度減小石英片厚度時，雷射熱熔過程中石英片很容易裂，導致成品率低，而且製作比較複雜；(3)不管是矽片還是石英片，對於厚度很薄的膜片，加工起來非常困難，而且加工費用很高。這些不足使得這類典型的膜片式光纖壓力傳感頭的應用受到的一定限制。本發明就是基於當前膜片式光纖傳感頭的不足以及目前的實際需要來進行的，製作過程簡單、快捷，傳感精度高，靈敏度高，安全可靠、穩定性好，而且通過調整殼聚糖溶液的濃度和殼聚糖與戊二醛的比例，很容易實現不同性能要求的壓力探測，適用環境也得到拓展。

發明內容
本發明目的在於克服現有光纖法布裡-珀羅傳感頭製作的缺點，公開一種殼聚糖的光纖壓力傳感頭，配製不同濃度的殼聚糖和戊二醛溶液製作不同薄膜厚度的膜片，以滿足不同靈敏度要求的壓力、尤其是微壓的高靈敏度探測，提供了一種製作簡便、速度快、精度高、靈敏度高、穩定性好的光纖法布裡-珀羅壓力傳感頭的製作方法。為了解決上述問題，本發明所採用的技術方案如下
本發明的殼聚糖高性能光纖壓力傳感頭由光纖(I)、帶喇叭口的石英毛細管(2)、殼聚糖薄膜(3)構成，石英毛細管(2)的喇叭口端與殼聚糖薄膜(3)通過化學結合，光纖(I)固定在石英毛細管(2)內壁，固定在石英毛細管(2)內壁的光纖(I)的端面與殼聚糖薄膜內表面形成法布裡-珀羅腔。
本發明的殼聚糖高性能光纖壓力傳感頭的製作方法包括以下步驟
(1)對石英毛細管的喇叭口端面進行磨砂、拋光處理，確保端面平整且垂直於毛細管軸線，然後將加工好的毛細管在酒精溶液中用超聲波清洗2-20分鐘，重複清洗2-3遍，最後.100°C烘乾2-4小時；
(2)根據光纖傳感頭的性能要求，用質量濃度為O.5-5%的醋酸，配製質量濃度為1-5%的殼聚糖溶液，並按照殼聚糖與戊二醛100:1-10的質量比例，摻入戊二醛，製備殼聚糖戊二醛溶液；
(3)根據傳感頭靈敏度要求，將製備好的殼聚糖戊二醛溶液薄膜化處理，薄膜在戊二醛的作用下粘於毛細管的喇叭口端面，然後80°C高溫乾燥，在端面形成可隨著外界壓力的變化發生擾動的殼聚糖薄膜；
(4)利用光纖剝離鉗、光纖切割刀、酒精、脫脂棉將光纖端面處理好，以備將光纖固定於毛細管內壁；
(5)在光纖傳感頭的精密製作平臺上，通過雷射熱熔工藝或者殼聚糖戊二醛溶液將光纖固定在毛細管內壁，並且使光纖端面與通過步驟(3)形成的殼聚糖薄膜內表面具有一定的空氣間隙，形成腔長為40-500微米的、隨著殼聚糖薄膜的擾動而變化的法布裡-珀羅腔。本發明的殼聚糖薄膜，其厚度在5-400微米，所配製的殼聚糖溶液的濃度決定了殼聚糖薄膜的厚度，殼聚糖薄膜厚度由光纖傳感頭的靈敏度、響應頻率參數要求確定。本發明相對於現有技術的有益效果如下
(1)從傳感頭結構和製作步驟可以看出，光纖端面與殼聚糖薄膜的內表面構成了法布裡-珀羅腔，光纖採用單模光纖，纖芯直徑9微米，光經過導入光纖直接進入法布裡-珀羅腔，腔長在40-500微米，具體長度由傳感信號質量的要求決定，通常在100微米左右；
(2)在製作殼聚糖薄膜時，薄膜內表面很容易形成光滑表面，滿足法布裡-珀羅腔反射面的光潔度和反射率要求；由於喇叭口端面與其軸線垂直，很容易做到光信號垂直入射到法布裡-珀羅腔，然後被殼聚糖薄膜垂直反射；
(3)殼聚糖薄膜裡面摻入了戊二醛，戊二醛不僅起到了粘合劑的作用，增加薄膜與石英喇叭口端面的牢固程度，而且摻入的戊二醛改變了殼聚糖原本具有的親水性等特性，提高了這種光纖傳感頭的穩定性和使用壽命，擴大了它的適用範圍，既適用於空氣又適用於水中的聲音壓力以及其他壓力信號的探測；
(4)殼聚糖薄膜的厚度很容易通過濃度的配製來獲得，所以基於這種發明的光纖傳感頭很容易實現對壓力信號進行高靈敏度探測，且製備方法簡單、快速、容易實現；
此外，本發明的光纖傳感頭還與現有的光通信設備相兼容。綜上，藉助本發明可以實現製作簡便、速度快、精度高、靈敏度高、穩定性好的光纖法布裡-珀羅壓力傳感頭的製作；
本發明基於殼聚糖光纖壓力傳感頭的工作原理(圖3)是光信號經光纖垂直入射到法布裡-珀羅腔，部分光信號被單模光纖端面反射，剩餘光信號到達殼聚糖內表面時被垂直反射，然後耦合進入單模光纖，從而形成幹涉條紋；當外界的聲音壓力或其他壓力作用於殼聚糖膜片時，膜片發生相應的輕微擾動，從而改變光纖傳感頭法布裡-珀羅腔的腔長，此時傳感信號也隨之發生相應的變化。通過檢測傳感信號的變化來獲得外界壓力信號的高靈敏度探測。


圖I為現有的膜片式光纖壓力傳感頭的結構示意圖。圖2為基於本發明的殼聚糖膜片式光纖壓力傳感頭的結構示意圖。圖3為光纖壓力傳感頭的工作原理圖。圖4為本發明的光纖傳感頭應用時可能採用的解調系統示意圖。
具體實施例方式下面通過實施例對本發明做進一步詳細說明，這些實施例僅用來說明本發明，並不限制本發明的範圍。實施例I本發明的光纖壓力傳感頭結構示意圖如附圖2所示，由光纖(I)、帶喇 叭口的石英毛細管(2)、殼聚糖薄膜(3)構成。本實施例中光纖壓力傳感頭的製作步驟為
(1)對石英毛細管的喇叭口端面進行磨砂、拋光處理，確保端面平整且垂直於毛細管軸線，然後將加工好的毛細管在純酒精溶液中用超聲波清洗2分鐘，重複清洗3次，最後100°C烘乾2小時；
(2)殼聚糖溶液的濃度決定了殼聚糖薄膜的厚度，厚度由光纖傳感頭的靈敏度等參數決定，根據所設計的光纖傳感頭性能要求，用O. 5%的醋酸配製濃度為1%的殼聚糖溶液，並且摻入戊二醛，殼聚糖與戊二醛比例為100 :3，製備成殼聚糖戊二醛溶液；
(3)將配製好的殼聚糖戊二醛溶液進行薄膜化處理，其中戊二醛主要起粘結劑作用，使得毛細管的喇叭口端面與殼聚糖膜片的粘結牢固，並且改善殼聚糖的親水性等特性，喇叭口與殼聚糖膜片固定好後80°C高溫乾燥；
(4)利用光纖剝離鉗、光纖切割刀、酒精、脫脂棉將單模光纖的端面處理好，以備將光纖固定於毛細管內壁；
(5)在光纖傳感頭的精密製作平臺上，藉助於先進的雷射微加工工藝，通過CO2雷射將光纖熱熔、焊接在毛細管的內壁，並且使光纖端面與殼聚糖薄膜內表面之間的空氣間隙為80微米，形成法布裡-珀羅腔。如此即完成了本發明光纖傳感頭的製作。實施例2 本發明的光纖壓力傳感頭結構示意圖如附圖2所示，由光纖(I)、帶喇叭口的石英毛細管(2)、殼聚糖薄膜(3)構成。本實施例中光纖壓力傳感頭的製作步驟為
(1)對石英毛細管的喇叭口端面進行磨砂、拋光處理，確保端面平整且垂直於毛細管軸線，然後將加工好的毛細管在純酒精溶液中用超聲波清洗5分鐘，重複清洗3次，最後100°C烘乾2小時；
(2)殼聚糖溶液的濃度決定了殼聚糖薄膜的厚度，厚度由光纖傳感頭的靈敏度等參數決定，根據所設計的光纖傳感頭性能要求，用2. 5%的醋酸配製濃度為2%的殼聚糖溶液，並且摻入戊二醛，殼聚糖與戊二醛比例為100 :5，製備成殼聚糖戊二醛溶液；
(3)將配製好的殼聚糖戊二醛溶液進行薄膜化處理，其中戊二醛主要起粘結劑作用，使得毛細管的喇叭口端面與殼聚糖膜片的粘結牢固，並且改善殼聚糖的親水性等特性，喇叭口與殼聚糖膜片固定好後80°C高溫乾燥；
(4)利用光纖剝離鉗、光纖切割刀、酒精、脫脂棉將單模光纖的端面處理好，以備將光纖固定於毛細管內壁；
(5)在光纖傳感頭的精密製作平臺上，藉助於先進的雷射微加工工藝，通過CO2雷射將光纖熱熔、焊接在毛細管的內壁，並且使光纖端面與殼聚糖薄膜內表面之間的空氣間隙為100微米，形成法布裡-珀羅腔。如此即完成了本發明光纖傳感頭的製作。實施例3 本發明的光纖壓力傳感頭結構示意圖如附圖2所示，由光纖(I)、帶喇叭口的石英毛細管(2)、殼聚糖薄膜(3)構成。本實施例中光纖壓力傳感頭的製作步驟為
(1)對石英毛細管的喇叭口端面進行磨砂、拋光處理，確保端面平整且垂直於毛細管軸線，然後將加工好的毛細管在純酒精溶液中用超聲波清洗15分鐘，重複清洗2次，最後100°C烘乾3小時；
(2)殼聚糖溶液的濃度決定了殼聚糖薄膜的厚度，厚度由光纖傳感頭的靈敏度等參數 決定，根據所設計的光纖傳感頭性能要求，用3%的醋酸配製濃度為5%的殼聚糖溶液，並且摻入戊二醛，殼聚糖與戊二醛比例為100 :7，製備成殼聚糖戊二醛溶液；
(3)將配製好的殼聚糖戊二醛溶液進行薄膜化處理，其中戊二醛主要起粘結劑作用，使得毛細管的喇叭口端面與殼聚糖膜片的粘結牢固，並且改善殼聚糖的親水性等特性，喇叭口與殼聚糖膜片固定好後80°C高溫乾燥；
(4)利用光纖剝離鉗、光纖切割刀、酒精、脫脂棉將單模光纖的端面處理好，以備將光纖固定於毛細管內壁；
(5)在光纖傳感頭的精密製作平臺上，藉助於先進的雷射微加工工藝，通過CO2雷射將光纖熱熔、焊接在毛細管的內壁，並且使光纖端面與殼聚糖薄膜內表面之間的空氣間隙為300微米，形成法布裡-珀羅腔。如此即完成了本發明光纖傳感頭的製作。實施例4 本發明的光纖壓力傳感頭結構示意圖如附圖2所示，由光纖⑴、帶喇叭口的石英毛細管(2)、殼聚糖薄膜(3)構成。本實施例中光纖壓力傳感頭的製作步驟為
(1)對石英毛細管的喇叭口端面進行磨砂、拋光處理，確保端面平整且垂直於毛細管軸線，然後將加工好的毛細管在純酒精溶液中用超聲波清洗20分鐘，重複清洗2次，最後100°C烘乾2. 5小時；
(2)殼聚糖溶液的濃度決定了殼聚糖薄膜的厚度，厚度由光纖傳感頭的靈敏度、響應率參數決定，根據所設計的光纖傳感頭性能要求，用I. 5%的醋酸配製濃度為3. 5%的殼聚糖溶液，並且摻入戊二醛，殼聚糖與戊二醛比例為100 :10，製備成殼聚糖戊二醛溶液；
(3)將配製好的殼聚糖戊二醛溶液進行薄膜化處理，其中戊二醛主要起粘結劑作用，使得毛細管的喇叭口端面與殼聚糖膜片的粘結牢固，並且改善殼聚糖的親水性等特性，喇叭口與殼聚糖膜片固定好後80°C高溫乾燥；
(4)利用光纖剝離鉗、光纖切割刀、酒精、脫脂棉將單模光纖的端面處理好，以備將光纖固定於毛細管內壁；
(5)在光纖傳感頭的精密製作平臺上，藉助於先進的雷射微加工工藝，通過CO2雷射將光纖熱熔、焊接在毛細管的內壁，並且使光纖端面與殼聚糖薄膜內表面之間的空氣間隙為500微米，形成法布裡-珀羅腔。如此即完成了本發明光纖傳感頭的製作。由上述實施例可以看出，殼聚糖薄膜高性能光纖壓力傳感頭的製作簡單、快捷，並且配置不同濃度的殼聚糖溶液可以獲得不同厚度的 殼聚糖壓力感應膜片，本發明的傳感頭製作顯得非常靈活，從而對聲音壓力或其他外界壓力實現高精度、高靈敏度的探測；另外，由於殼聚糖溶液中摻入了一定比例的戊二醛，從而改變了殼聚糖本身的親水性等特徵，因此本發明的光纖壓力傳感頭不僅適用於空氣中的壓力探測，也適用於水中由於各種因素產生的壓力信號探測。總體考慮本發明可以實現製作簡單、快捷、靈活，精度高、靈敏度高，可靠性好的光纖壓力傳感頭。
權利要求
1.一種殼聚糖薄膜高性能光纖壓力傳感頭，其特徵在於傳感頭由光纖(I)、帶喇叭口的石英毛細管(2)、殼聚糖薄膜(3)構成，石英毛細管(2)的喇叭口端與殼聚糖薄膜(3)通過化學結合，光纖(I)固定在石英毛細管(2)內壁，固定在石英毛細管(2)內壁的光纖(I)的端面與殼聚糖薄膜內表面形成法布裡-珀羅腔。
2.根據權利要求I所述的殼聚糖薄膜高性能光纖壓力傳感頭，其特徵在於所述的化學結合是通過粘合劑戊二醛結合。
3.根據權利要求I所述殼聚糖薄膜高性能光纖壓力傳感頭的製作方法，其特徵在於按以下步驟進行 (1)對石英毛細管的喇叭口端面進行磨砂、拋光處理，確保端面平整且垂直於毛細管軸線，然後將加工好的毛細管在酒精溶液中用超聲波清洗5-20分鐘，重複清洗2-3遍，最後100°C烘乾2-4小時； (2)根據光纖傳感頭的性能要求，用質量濃度為O.5-5%的醋酸，配製質量濃度為1-5%的殼聚糖溶液，並按照殼聚糖與戊二醛100:1-10的質量比例，摻入戊二醛，製備殼聚糖戊二醛溶液； (3)根據傳感頭靈敏度要求，將製備好的殼聚糖戊二醛溶液薄膜化處理，薄膜在戊二醛的作用下粘於毛細管的喇叭口端面，然後80°C高溫乾燥，在端面形成隨著外界壓力的變化發生擾動的殼聚糖薄膜； (4)利用光纖剝離鉗、光纖切割刀、酒精、脫脂棉將光纖端面處理好，以備將光纖固定於毛細管內壁； (5)在光纖傳感頭的精密製作平臺上，通過雷射熱熔工藝或者殼聚糖戊二醛溶液將光纖固定在毛細管內壁，並且使光纖端面與通過步驟(3)形成的殼聚糖薄膜內表面具有一定的空氣間隙，形成腔長為40-500微米的、可隨著殼聚糖薄膜的擾動而變化的法布裡-珀羅腔。
4.根據權利要求3所述的殼聚糖薄膜高性能光纖壓力傳感頭的製作方法，其特徵在於所述的殼聚糖薄膜的厚度在5-400微米，所配製的殼聚糖溶液的濃度決定了殼聚糖薄膜的厚度，殼聚糖薄膜厚度由光纖傳感頭的靈敏度、響應頻率參數要求確定。
全文摘要
本發明公開了殼聚糖薄膜高性能光纖壓力傳感頭及其製作方法，傳感頭由光纖(1)、帶喇叭口的石英毛細管(2)、殼聚糖薄膜(3)構成；石英毛細管的喇叭口端與殼聚糖薄膜通過化學結合，固定在石英毛細管裡的光纖的端面與殼聚糖薄膜內表面形成法布裡-珀羅腔；製作方法是將石英毛細管的喇叭口端面磨砂拋光，然後將配製好的殼聚糖戊二醛溶液薄膜化處理，在戊二醛的作用下粘於毛細管喇叭口端面，形成殼聚糖薄膜，再處理好光纖端面，用雷射熱熔工藝或殼聚糖溶液將光纖固定在毛細管內壁，使端面與殼聚糖薄膜內表面具有一定的空氣間隙，形成法布裡-珀羅腔。本發明傳感頭靈敏度高、穩定性好、適用範圍廣，製作方法簡單、快捷。
文檔編號G01L1/24GK102879136SQ20111019243
公開日2013年1月16日 申請日期2011年7月11日 優先權日2011年7月11日
發明者李思東, 王文華, 封餘軍, 師文慶, 熊正燁, 問莉莉 申請人:廣東海洋大學