专利名称：壳聚糖薄膜高性能光纤压力传感头及其制作方法
技术领域：
本发明属于光纤技术和高分子薄膜制备技术的交叉领域，具体涉及到将壳聚糖和戊二醛应用于膜片式光纤压力传感头及其制作方法。
背景技术：
光纤传感器具有电绝缘、抗电磁干扰、灵敏度高、耐高温耐腐蚀、传感器端无源因而本质安全，无需信号转换和放大器即可远距离传输，以及体积小、重量轻，能与当前的光纤数字通信系统相兼容等优点，因此在很多领域都获得了应用，膜片式光纤传感器是光纤传感领域的一个重要研究方向。近年来，随着膜片式光纤传感器的深入应用，寻找制作简单、快捷，精度高，灵敏度高，安全可靠、稳定性好的膜片式光纤压力传感头成为人们的一个研究热点，并且这种膜片式光纤压力传感器具有很大的市场潜力。
图I是膜片式光纤压力传感头的一种典型结构，利用粘结剂或者热熔的方法在毛细管的一端连接一段石英管或者玻璃管，然后把硅片或者石英片固定在石英管或者玻璃管端面，固定的方法有粘结剂等方法，但是存在以下缺点(I)采用环氧树脂等粘结剂固定以后，粘结剂的热膨胀系数会影响光纤传感头的温度性能，另外，传感头在溶液中受到超声波或其他强烈震动信号作用时，膜片容易从端面脱落；(2)如果是石英膜片，固定的方法还可以采用激光热熔的方法，从而改变石英膜片脱落的缺点，并且可以解决粘结剂降低其温度性能的缺点，但是激光热熔的过程中，尤其是为了提高光纤传感头的灵敏度减小石英片厚度时，激光热熔过程中石英片很容易裂，导致成品率低，而且制作比较复杂；(3)不管是硅片还是石英片，对于厚度很薄的膜片，加工起来非常困难，而且加工费用很高。这些不足使得这类典型的膜片式光纤压力传感头的应用受到的一定限制。本发明就是基于当前膜片式光纤传感头的不足以及目前的实际需要来进行的，制作过程简单、快捷，传感精度高，灵敏度高，安全可靠、稳定性好，而且通过调整壳聚糖溶液的浓度和壳聚糖与戊二醛的比例，很容易实现不同性能要求的压力探测，适用环境也得到拓展。
发明内容
本发明目的在于克服现有光纤法布里-珀罗传感头制作的缺点，公开一种壳聚糖的光纤压力传感头，配制不同浓度的壳聚糖和戊二醛溶液制作不同薄膜厚度的膜片，以满足不同灵敏度要求的压力、尤其是微压的高灵敏度探测，提供了一种制作简便、速度快、精度高、灵敏度高、稳定性好的光纤法布里-珀罗压力传感头的制作方法。为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下
本发明的壳聚糖高性能光纤压力传感头由光纤(I)、带喇叭口的石英毛细管(2)、壳聚糖薄膜(3)构成，石英毛细管(2)的喇叭口端与壳聚糖薄膜(3)通过化学结合，光纤(I)固定在石英毛细管(2)内壁，固定在石英毛细管(2)内壁的光纤(I)的端面与壳聚糖薄膜内表面形成法布里-珀罗腔。
本发明的壳聚糖高性能光纤压力传感头的制作方法包括以下步骤
(1)对石英毛细管的喇叭口端面进行磨砂、抛光处理，确保端面平整且垂直于毛细管轴线，然后将加工好的毛细管在酒精溶液中用超声波清洗2-20分钟，重复清洗2-3遍，最后.100°C烘干2-4小时；
(2)根据光纤传感头的性能要求，用质量浓度为O.5-5%的醋酸，配制质量浓度为1-5%的壳聚糖溶液，并按照壳聚糖与戊二醛100:1-10的质量比例，掺入戊二醛，制备壳聚糖戊二醛溶液；
(3)根据传感头灵敏度要求，将制备好的壳聚糖戊二醛溶液薄膜化处理，薄膜在戊二醛的作用下粘于毛细管的喇叭口端面，然后80°C高温干燥，在端面形成可随着外界压力的变化发生扰动的壳聚糖薄膜；
(4)利用光纤剥离钳、光纤切割刀、酒精、脱脂棉将光纤端面处理好，以备将光纤固定于毛细管内壁；
(5)在光纤传感头的精密制作平台上，通过激光热熔工艺或者壳聚糖戊二醛溶液将光纤固定在毛细管内壁，并且使光纤端面与通过步骤(3)形成的壳聚糖薄膜内表面具有一定的空气间隙，形成腔长为40-500微米的、随着壳聚糖薄膜的扰动而变化的法布里-珀罗腔。本发明的壳聚糖薄膜，其厚度在5-400微米，所配制的壳聚糖溶液的浓度决定了壳聚糖薄膜的厚度，壳聚糖薄膜厚度由光纤传感头的灵敏度、响应频率参数要求确定。本发明相对于现有技术的有益效果如下
(1)从传感头结构和制作步骤可以看出，光纤端面与壳聚糖薄膜的内表面构成了法布里-珀罗腔，光纤采用单模光纤，纤芯直径9微米，光经过导入光纤直接进入法布里-珀罗腔，腔长在40-500微米，具体长度由传感信号质量的要求决定，通常在100微米左右；
(2)在制作壳聚糖薄膜时，薄膜内表面很容易形成光滑表面，满足法布里-珀罗腔反射面的光洁度和反射率要求；由于喇叭口端面与其轴线垂直，很容易做到光信号垂直入射到法布里-珀罗腔，然后被壳聚糖薄膜垂直反射；
(3)壳聚糖薄膜里面掺入了戊二醛，戊二醛不仅起到了粘合剂的作用，增加薄膜与石英喇叭口端面的牢固程度，而且掺入的戊二醛改变了壳聚糖原本具有的亲水性等特性，提高了这种光纤传感头的稳定性和使用寿命，扩大了它的适用范围，既适用于空气又适用于水中的声音压力以及其他压力信号的探测；
(4)壳聚糖薄膜的厚度很容易通过浓度的配制来获得，所以基于这种发明的光纤传感头很容易实现对压力信号进行高灵敏度探测，且制备方法简单、快速、容易实现；
此外，本发明的光纤传感头还与现有的光通信设备相兼容。综上，借助本发明可以实现制作简便、速度快、精度高、灵敏度高、稳定性好的光纤法布里-珀罗压力传感头的制作；
本发明基于壳聚糖光纤压力传感头的工作原理(图3)是光信号经光纤垂直入射到法布里-珀罗腔，部分光信号被单模光纤端面反射，剩余光信号到达壳聚糖内表面时被垂直反射，然后耦合进入单模光纤，从而形成干涉条纹；当外界的声音压力或其他压力作用于壳聚糖膜片时，膜片发生相应的轻微扰动，从而改变光纤传感头法布里-珀罗腔的腔长，此时传感信号也随之发生相应的变化。通过检测传感信号的变化来获得外界压力信号的高灵敏度探测。
图I为现有的膜片式光纤压力传感头的结构示意图。图2为基于本发明的壳聚糖膜片式光纤压力传感头的结构示意图。图3为光纤压力传感头的工作原理图。图4为本发明的光纤传感头应用时可能采用的解调系统示意图。
具体实施例方式下面通过实施例对本发明做进一步详细说明，这些实施例仅用来说明本发明，并不限制本发明的范围。实施例I本发明的光纤压力传感头结构示意图如附图2所示，由光纤(I)、带喇 叭口的石英毛细管(2)、壳聚糖薄膜(3)构成。本实施例中光纤压力传感头的制作步骤为
(1)对石英毛细管的喇叭口端面进行磨砂、抛光处理，确保端面平整且垂直于毛细管轴线，然后将加工好的毛细管在纯酒精溶液中用超声波清洗2分钟，重复清洗3次，最后100°C烘干2小时；
(2)壳聚糖溶液的浓度决定了壳聚糖薄膜的厚度，厚度由光纤传感头的灵敏度等参数决定，根据所设计的光纤传感头性能要求，用O. 5%的醋酸配制浓度为1%的壳聚糖溶液，并且掺入戊二醛，壳聚糖与戊二醛比例为100 :3，制备成壳聚糖戊二醛溶液；
(3)将配制好的壳聚糖戊二醛溶液进行薄膜化处理，其中戊二醛主要起粘结剂作用，使得毛细管的喇叭口端面与壳聚糖膜片的粘结牢固，并且改善壳聚糖的亲水性等特性，喇叭口与壳聚糖膜片固定好后80°C高温干燥；
(4)利用光纤剥离钳、光纤切割刀、酒精、脱脂棉将单模光纤的端面处理好，以备将光纤固定于毛细管内壁；
(5)在光纤传感头的精密制作平台上，借助于先进的激光微加工工艺，通过CO2激光将光纤热熔、焊接在毛细管的内壁，并且使光纤端面与壳聚糖薄膜内表面之间的空气间隙为80微米，形成法布里-珀罗腔。如此即完成了本发明光纤传感头的制作。实施例2 本发明的光纤压力传感头结构示意图如附图2所示，由光纤(I)、带喇叭口的石英毛细管(2)、壳聚糖薄膜(3)构成。本实施例中光纤压力传感头的制作步骤为
(1)对石英毛细管的喇叭口端面进行磨砂、抛光处理，确保端面平整且垂直于毛细管轴线，然后将加工好的毛细管在纯酒精溶液中用超声波清洗5分钟，重复清洗3次，最后100°C烘干2小时；
(2)壳聚糖溶液的浓度决定了壳聚糖薄膜的厚度，厚度由光纤传感头的灵敏度等参数决定，根据所设计的光纤传感头性能要求，用2. 5%的醋酸配制浓度为2%的壳聚糖溶液，并且掺入戊二醛，壳聚糖与戊二醛比例为100 :5，制备成壳聚糖戊二醛溶液；
(3)将配制好的壳聚糖戊二醛溶液进行薄膜化处理，其中戊二醛主要起粘结剂作用，使得毛细管的喇叭口端面与壳聚糖膜片的粘结牢固，并且改善壳聚糖的亲水性等特性，喇叭口与壳聚糖膜片固定好后80°C高温干燥；
(4)利用光纤剥离钳、光纤切割刀、酒精、脱脂棉将单模光纤的端面处理好，以备将光纤固定于毛细管内壁；
(5)在光纤传感头的精密制作平台上，借助于先进的激光微加工工艺，通过CO2激光将光纤热熔、焊接在毛细管的内壁，并且使光纤端面与壳聚糖薄膜内表面之间的空气间隙为100微米，形成法布里-珀罗腔。如此即完成了本发明光纤传感头的制作。实施例3 本发明的光纤压力传感头结构示意图如附图2所示，由光纤(I)、带喇叭口的石英毛细管(2)、壳聚糖薄膜(3)构成。本实施例中光纤压力传感头的制作步骤为
(1)对石英毛细管的喇叭口端面进行磨砂、抛光处理，确保端面平整且垂直于毛细管轴线，然后将加工好的毛细管在纯酒精溶液中用超声波清洗15分钟，重复清洗2次，最后100°C烘干3小时；
(2)壳聚糖溶液的浓度决定了壳聚糖薄膜的厚度，厚度由光纤传感头的灵敏度等参数 决定，根据所设计的光纤传感头性能要求，用3%的醋酸配制浓度为5%的壳聚糖溶液，并且掺入戊二醛，壳聚糖与戊二醛比例为100 :7，制备成壳聚糖戊二醛溶液；
(3)将配制好的壳聚糖戊二醛溶液进行薄膜化处理，其中戊二醛主要起粘结剂作用，使得毛细管的喇叭口端面与壳聚糖膜片的粘结牢固，并且改善壳聚糖的亲水性等特性，喇叭口与壳聚糖膜片固定好后80°C高温干燥；
(4)利用光纤剥离钳、光纤切割刀、酒精、脱脂棉将单模光纤的端面处理好，以备将光纤固定于毛细管内壁；
(5)在光纤传感头的精密制作平台上，借助于先进的激光微加工工艺，通过CO2激光将光纤热熔、焊接在毛细管的内壁，并且使光纤端面与壳聚糖薄膜内表面之间的空气间隙为300微米，形成法布里-珀罗腔。如此即完成了本发明光纤传感头的制作。实施例4 本发明的光纤压力传感头结构示意图如附图2所示，由光纤⑴、带喇叭口的石英毛细管(2)、壳聚糖薄膜(3)构成。本实施例中光纤压力传感头的制作步骤为
(1)对石英毛细管的喇叭口端面进行磨砂、抛光处理，确保端面平整且垂直于毛细管轴线，然后将加工好的毛细管在纯酒精溶液中用超声波清洗20分钟，重复清洗2次，最后100°C烘干2. 5小时；
(2)壳聚糖溶液的浓度决定了壳聚糖薄膜的厚度，厚度由光纤传感头的灵敏度、响应率参数决定，根据所设计的光纤传感头性能要求，用I. 5%的醋酸配制浓度为3. 5%的壳聚糖溶液，并且掺入戊二醛，壳聚糖与戊二醛比例为100 :10，制备成壳聚糖戊二醛溶液；
(3)将配制好的壳聚糖戊二醛溶液进行薄膜化处理，其中戊二醛主要起粘结剂作用，使得毛细管的喇叭口端面与壳聚糖膜片的粘结牢固，并且改善壳聚糖的亲水性等特性，喇叭口与壳聚糖膜片固定好后80°C高温干燥；
(4)利用光纤剥离钳、光纤切割刀、酒精、脱脂棉将单模光纤的端面处理好，以备将光纤固定于毛细管内壁；
(5)在光纤传感头的精密制作平台上，借助于先进的激光微加工工艺，通过CO2激光将光纤热熔、焊接在毛细管的内壁，并且使光纤端面与壳聚糖薄膜内表面之间的空气间隙为500微米，形成法布里-珀罗腔。如此即完成了本发明光纤传感头的制作。由上述实施例可以看出，壳聚糖薄膜高性能光纤压力传感头的制作简单、快捷，并且配置不同浓度的壳聚糖溶液可以获得不同厚度的 壳聚糖压力感应膜片，本发明的传感头制作显得非常灵活，从而对声音压力或其他外界压力实现高精度、高灵敏度的探测；另外，由于壳聚糖溶液中掺入了一定比例的戊二醛，从而改变了壳聚糖本身的亲水性等特征，因此本发明的光纤压力传感头不仅适用于空气中的压力探测，也适用于水中由于各种因素产生的压力信号探测。总体考虑本发明可以实现制作简单、快捷、灵活，精度高、灵敏度高，可靠性好的光纤压力传感头。
权利要求
1.一种壳聚糖薄膜高性能光纤压力传感头，其特征在于传感头由光纤(I)、带喇叭口的石英毛细管(2)、壳聚糖薄膜(3)构成，石英毛细管(2)的喇叭口端与壳聚糖薄膜(3)通过化学结合，光纤(I)固定在石英毛细管(2)内壁，固定在石英毛细管(2)内壁的光纤(I)的端面与壳聚糖薄膜内表面形成法布里-珀罗腔。
2.根据权利要求I所述的壳聚糖薄膜高性能光纤压力传感头，其特征在于所述的化学结合是通过粘合剂戊二醛结合。
3.根据权利要求I所述壳聚糖薄膜高性能光纤压力传感头的制作方法，其特征在于按以下步骤进行 (1)对石英毛细管的喇叭口端面进行磨砂、抛光处理，确保端面平整且垂直于毛细管轴线，然后将加工好的毛细管在酒精溶液中用超声波清洗5-20分钟，重复清洗2-3遍，最后100°C烘干2-4小时； (2)根据光纤传感头的性能要求，用质量浓度为O.5-5%的醋酸，配制质量浓度为1-5%的壳聚糖溶液，并按照壳聚糖与戊二醛100:1-10的质量比例，掺入戊二醛，制备壳聚糖戊二醛溶液； (3)根据传感头灵敏度要求，将制备好的壳聚糖戊二醛溶液薄膜化处理，薄膜在戊二醛的作用下粘于毛细管的喇叭口端面，然后80°C高温干燥，在端面形成随着外界压力的变化发生扰动的壳聚糖薄膜； (4)利用光纤剥离钳、光纤切割刀、酒精、脱脂棉将光纤端面处理好，以备将光纤固定于毛细管内壁； (5)在光纤传感头的精密制作平台上，通过激光热熔工艺或者壳聚糖戊二醛溶液将光纤固定在毛细管内壁，并且使光纤端面与通过步骤(3)形成的壳聚糖薄膜内表面具有一定的空气间隙，形成腔长为40-500微米的、可随着壳聚糖薄膜的扰动而变化的法布里-珀罗腔。
4.根据权利要求3所述的壳聚糖薄膜高性能光纤压力传感头的制作方法，其特征在于所述的壳聚糖薄膜的厚度在5-400微米，所配制的壳聚糖溶液的浓度决定了壳聚糖薄膜的厚度，壳聚糖薄膜厚度由光纤传感头的灵敏度、响应频率参数要求确定。
全文摘要
本发明公开了壳聚糖薄膜高性能光纤压力传感头及其制作方法，传感头由光纤(1)、带喇叭口的石英毛细管(2)、壳聚糖薄膜(3)构成；石英毛细管的喇叭口端与壳聚糖薄膜通过化学结合，固定在石英毛细管里的光纤的端面与壳聚糖薄膜内表面形成法布里-珀罗腔；制作方法是将石英毛细管的喇叭口端面磨砂抛光，然后将配制好的壳聚糖戊二醛溶液薄膜化处理，在戊二醛的作用下粘于毛细管喇叭口端面，形成壳聚糖薄膜，再处理好光纤端面，用激光热熔工艺或壳聚糖溶液将光纤固定在毛细管内壁，使端面与壳聚糖薄膜内表面具有一定的空气间隙，形成法布里-珀罗腔。本发明传感头灵敏度高、稳定性好、适用范围广，制作方法简单、快捷。
文档编号G01L1/24GK102879136SQ20111019243
公开日2013年1月16日 申请日期2011年7月11日 优先权日2011年7月11日
发明者李思东, 王文华, 封余军, 师文庆, 熊正烨, 问莉莉 申请人:广东海洋大学