专利名称：水凝胶作敏感元件的光纤光栅湿度传感器及其制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤光栅传感领域，尤其涉及一种水凝胶作敏感元件的光纤光栅湿度 传感器及其制作方法。
背景技术：
光纤可用做传递信息的光信道，也可用作传感器。光纤传感技术是20世纪70年 代随着光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，其特点是以光波为载体、光纤为媒质、感知 并传输外部测量信号。光纤之所以能用作传感器是由于它的光束参数(诸如幅度、相位、波 长、频率、偏振状态等)对温度、压力、电磁场、振动位移等环境因素具有敏感性。光纤传感器 的优点是不导电、重量轻、体积小、耐高温和电磁辐射、柔性好、耐腐蚀，这些优点使它适合 于易燃、易爆、空间受限及强电磁干扰的恶劣环境下使用。因此，光纤传感器一问世便受到 极大的重视，几乎在各个领域得到研究和应用，成为现代传感器的先导，推动着传感技术的 蓬勃发展。光纤光栅传感器是波长调制型传感器。它对波长敏感而对光强不敏感。因此，其对 光波的波动、光波的极化与传输损耗不敏感。另外光纤光栅传感器具有线性响应、易于集成 和插入损耗小的优点。使得它能用作多路传输，能埋于被测材料中，便于测出材料的内部应 力和温度场，光纤光栅传感器的发明在光传感领域和光纤通信中是一件大事。光纤光栅传 感器可以应用的领域包括应力、温度、压力和液体浓度的测试等等。而其最有价值的应用领 域应是多点多参数的应力和温度测试，可被应用于智能材料等复合材料内部损伤检测中。水凝胶可定义为在水中能够溶胀并保持大量水分而又不能溶解的交联聚合物。亲 水的小分子能够在水凝胶中扩散，水凝胶具有良好的生物相容性。自20世纪40年代以来， 有关水凝胶的合成、理化性质以及在生物化学、医学等领域中的应用研究十分活跃。高分子 水凝胶可以在水中膨胀至一个平衡状态，被认为是一种生物适合性材料。高分子水凝胶的 含水量取决于高分子网络结构，并可对外界环境变化作出响应，例如外界环境的湿度变化、 盐度变化、酸碱度变化等等。所谓智能型水凝胶是指对外来刺激具有可逆响应性、在水中可 以溶胀的凝胶。由于这类材料对外来刺激的可逆响应性使其在分子器件、调光材料、生物活 性物质的温和、高效分离等高新技术领域有广泛应用。
发明内容
本发明的目的是克服传统技术的不足，提供一种使用水凝胶作敏感元件的光纤光 栅湿度传感器及其制作方法。本发明解决技术问题所采取的技术方案为
水凝胶作敏感元件的光纤光栅湿度传感器包括湿度敏感单元、固定架、弹簧和支撑筒。凹型的固定架内设置有湿度敏感单元、弹簧和支撑筒，湿度敏感单元一端与固定 架的一个内侧壁固定，湿度敏感单元另一端与支撑筒的一端固定，支撑筒的另一端贯穿固 定架的另一个内侧壁活动设置，支撑筒上套置有弹簧，弹簧的一端与湿度敏感单元另一端连接，弹簧的另一端与固定架的另一个内侧壁连接。所述的湿度敏感单元包括光纤光栅、第一固定圆盘、第二固定圆盘和水凝胶，第一 固定圆盘和第二固定圆盘之间设置有光纤光栅，光纤光栅由水凝胶包覆，水凝胶和光纤光 栅构成湿度敏感单元中的敏感器；光纤光栅一侧的光纤依次穿过第一固定圆盘和固定架的 一个内侧壁后延伸至外界，光纤光栅另一侧的光纤依次穿过第二固定圆盘、支撑筒和固定 架的另一个内侧壁后延伸至外界。所述的湿度敏感单元和支撑筒同轴设置。敏感器的制作方法包括如下步骤
先将一根单模光纤剥掉外面的保护层，并将其置于110 140Mpa，130 150°C的条件 下载氢48小时。利用波长为MSnm的KrF激光器，利用相位掩膜法刻写光纤光栅。写好的光 纤光栅在130 150°C条件下退火对小时，赶出残留在光纤中的氢。然后将两个夹子固定在 光栅的两端。为了提高传感器的灵敏度，采用氢氟酸腐蚀光栅来减小光栅的横截面积，然后 将其合成在凝胶包层中。凝胶合成所采用的单体是3(^71_1如，交联剂是队^-111讨1^161^ bisacrylamide.使用时须将以上两种试剂精制、提纯。紫外引发剂为ketoglutaric acid。 按单体、交联剂、紫外引发剂的质量比为86 12 2配置好凝胶溶液后，在紫外灯下照射3 -4小时，凝胶即可合成。本发明的有益效果本发明通过水凝胶与光纤光栅的结合，利用水凝胶体积随外 部环境湿度变化而产生张力来改变光纤光栅布拉格波长，实现了将外界环境湿度转移到光 纤光栅波长偏移量之间的转化，从而实现了对外界环境的湿度进行传感的目的。进一步地 用氢氟酸对光纤光栅进行腐蚀以减小光栅的横截面积，有效地提高了传感器的灵敏度且扩 大了它的调谐范围。
图1为本发明的结构示意图。图2为本发明中凝胶的聚合装置示意图。图3为本发明使用示意图。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。本发明的原理是当水凝胶处于潮湿环境中，水凝胶吸水体积膨胀，内嵌于水凝胶 中的光纤光栅由于水凝胶膨胀而产生机械拉伸，光纤光栅布拉格周期也就变大。当传感器 放置在干燥环境中时，凝胶会释放水分而收缩。由于水凝胶膨胀时在光纤光栅中引入的张 力随着凝胶的收缩则会导致光纤光栅跟着收缩，那么光纤光栅的布拉格波长也会减小。由 于水凝胶的收缩的大小取决于环境的湿度，即环境的湿度越大，凝胶的膨胀越大，则布拉格 波长就会更大。因此，光纤光栅的布拉格波长的移动量就直接与环境的湿度有关。检测光 纤光栅的反射或透射波长即可获得传感信息。由于凝胶的膨胀的力较小，布拉格波长的变 化也就很小。为了提高传感器的灵敏度，采用氢氟酸腐蚀光纤光栅来减小光纤光栅包层的 横截面积，可大大提高了该传感器的灵敏度。参照图1，水凝胶作敏感元件的光纤光栅湿度传感器包括湿度敏感单元、固定架
42、弹簧7和支撑筒8。凹型的固定架内设置有湿度敏感单元、弹簧和支撑筒，湿度敏感单元一端与固定 架的一个内侧壁固定，湿度敏感单元另一端与支撑筒的一端固定，支撑筒的另一端贯穿固 定架的另一个内侧壁活动设置，支撑筒上套置有弹簧，弹簧的一端与湿度敏感单元另一端 连接，弹簧的另一端与固定架的另一个内侧壁连接；
湿度敏感单元包括光纤光栅5、第一固定圆盘3、第二固定圆盘6和水凝胶4，第一固定 圆盘和第二固定圆盘之间设置有光纤光栅，光纤光栅由水凝胶包覆，水凝胶和光纤光栅构 成湿度敏感单元中的敏感器；光纤光栅一侧的光纤1依次穿过第一固定圆盘和固定架的一 个内侧壁后延伸至外界，光纤光栅另一侧的光纤依次穿过第二固定圆盘、支撑筒和固定架 的另一个内侧壁后延伸至外界。湿度敏感单元和支撑筒同轴设置。其中敏感器的制作方法包括如下步骤先将一根单模光纤(例如，康宁SMF28)剥 掉外面的保护层，并将其置于110 140Mpa，130 150°C的条件下载氢48小时。使用波长 为MSnm的KrF激光器，采用相位掩膜法刻写光纤光栅。得到的光纤光栅在130 150°C条 件下退火M小时，赶出残留在光纤中的氢。然后将两个夹子固定在光栅的两端。为了提高 传感器的灵敏度，采用氢氟酸腐蚀光栅来减小光栅的横截面积，然后将其合成在凝胶包层 中。参考图2，为了提高传感器的灵敏度，避免光纤光栅对弯曲的敏感，使凝胶更好地 作用在光栅上，将经过氢氟酸腐蚀的光纤光栅经清洗后，将第一固定圆盘和第二固定圆盘 分别固定在光栅的两端。将光纤光栅放入一个两端开口的玻璃管10中然后将配置好的凝 胶溶液11从导管加入到玻璃管中，直到灌满为止，然后在玻璃管两端分别塞上第一橡皮塞 9和第二橡皮塞12。橡皮塞开一个小孔使得光纤9连接到外界。接着凝胶溶液在波长为 365nm的紫外光照射后聚合。参考图3，宽带光源13发出的光通过光纤14连接到湿度敏感单元15的输入端，湿 度敏感单元15的输出端通过光纤14连接光谱分析仪16的输入端，光谱分析仪16的数据 输出端口连接到数据采集系统17。系统工作时，当湿度敏感单元的传感环境变化时(环境 湿度的变化)，会引起输入到光谱分析仪的光频谱发生变化，光谱分析仪将采集到的光谱信 息发送到数据采集系统分析，计算得出环境的湿度。
权利要求
1.水凝胶作敏感元件的光纤光栅湿度传感器，包括湿度敏感单元、固定架、弹簧和支撑 筒，其特征在于凹型的固定架内设置有湿度敏感单元、弹簧和支撑筒，湿度敏感单元一端 与固定架的一个内侧壁固定，湿度敏感单元另一端与支撑筒的一端固定，支撑筒的另一端 贯穿固定架的另一个内侧壁活动设置，支撑筒上套置有弹簧，弹簧的一端与湿度敏感单元 另一端连接，弹簧的另一端与固定架的另一个内侧壁连接；所述的湿度敏感单元包括光纤光栅、第一固定圆盘、第二固定圆盘和水凝胶，第一固定 圆盘和第二固定圆盘之间设置有光纤光栅，光纤光栅由水凝胶包覆，水凝胶和光纤光栅构 成湿度敏感单元中的敏感器；光纤光栅一侧的光纤依次穿过第一固定圆盘和固定架的一个 内侧壁后延伸至外界，光纤光栅另一侧的光纤依次穿过第二固定圆盘、支撑筒和固定架的 另一个内侧壁后延伸至外界；所述的湿度敏感单元和支撑筒同轴设置。
2.一种制作如权利要求1中所述的敏感器方法，其特征在于包括如下步骤步骤1将一根单模光纤剥去外面的保护层，并将其置于110 140Mpa，130 150°C的 条件下载氢48小时；步骤2使用波长为248nm的KrF激光器，采用相位掩膜法刻写光纤，得到光纤光栅； 步骤3将光纤光栅在130 150°C条件下退火24小时，消除残留在光纤中的氢； 步骤4采用氢氟酸腐蚀光纤光栅来减小光栅的横截面积； 步骤5将腐蚀后的光纤光栅合成在凝胶包层中；所述的凝胶合成方法为将凝胶溶液配置好后，在紫外灯下照射3 - 4小时，凝胶即可 合成；所述的凝胶溶液包括单体、交联剂和紫外引发剂，其质量比为86 12 2 ； 所述的单体是acrylamide，交联剂是N, N’ -methylene bisacrylamide ；紫外引发剂是 ketoglutaric acid。
全文摘要
本发明涉及一种水凝胶作敏感元件的光纤光栅湿度传感器及其制作方法。本发明中的光纤光栅湿度传感器包括湿度敏感单元、固定架、弹簧和支撑筒。凹型的固定架内设置有湿度敏感单元、弹簧和支撑筒，湿度敏感单元一端与固定架的一个内侧壁固定，湿度敏感单元另一端与支撑筒的一端固定，支撑筒的另一端贯穿固定架的另一个内侧壁活动设置，支撑筒上套置有弹簧，弹簧的一端与湿度敏感单元另一端连接，弹簧的另一端与固定架的另一个内侧壁连接。本发明通过水凝胶与光纤光栅的结合，利用水凝胶体积随外部环境湿度变化而产生张力来改变光纤光栅布拉格波长，实现了将外界环境湿度转移到光纤光栅波长偏移量之间的转化。
文档编号G01N21/17GK102095687SQ201110020570
公开日2011年6月15日 申请日期2011年1月18日 优先权日2011年1月18日
发明者施学良, 章献民, 郑史烈 申请人:汉鼎信息科技股份有限公司