專利名稱：殼聚糖薄膜高性能光纖壓力傳感頭及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖技術(shù)和高分子薄膜制備技術(shù)的交叉領(lǐng)域，具體涉及到將殼聚糖和戊二醛應(yīng)用于膜片式光纖壓力傳感頭及其制作方法。
背景技術(shù)：
光纖傳感器具有電絕緣、抗電磁干擾、靈敏度高、耐高溫耐腐蝕、傳感器端無源因而本質(zhì)安全，無需信號轉(zhuǎn)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(shù)字通信系統(tǒng)相兼容等優(yōu)點，因此在很多領(lǐng)域都獲得了應(yīng)用，膜片式光纖傳感器是光纖傳感領(lǐng)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(yīng)用，尋找制作簡單、快捷，精度高，靈敏度高，安全可靠、穩(wěn)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，并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(jié)構(gòu)，利用粘結(jié)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，固定的方法有粘結(jié)劑等方法，但是存在以下缺點(I)采用環(huán)氧樹脂等粘結(jié)劑固定以后，粘結(jié)劑的熱膨脹系數(shù)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，固定的方法還可以采用激光熱熔的方法，從而改變石英膜片脫落的缺點，并且可以解決粘結(jié)劑降低其溫度性能的缺點，但是激光熱熔的過程中，尤其是為了提高光纖傳感頭的靈敏度減小石英片厚度時，激光熱熔過程中石英片很容易裂，導(dǎo)致成品率低，而且制作比較復(fù)雜；(3)不管是硅片還是石英片，對于厚度很薄的膜片，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(yīng)用受到的一定限制。本發(fā)明就是基于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，制作過程簡單、快捷，傳感精度高，靈敏度高，安全可靠、穩(wěn)定性好，而且通過調(diào)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(xiàn)不同性能要求的壓力探測，適用環(huán)境也得到拓展。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有光纖法布里-珀羅傳感頭制作的缺點，公開一種殼聚糖的光纖壓力傳感頭，配制不同濃度的殼聚糖和戊二醛溶液制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，提供了一種制作簡便、速度快、精度高、靈敏度高、穩(wěn)定性好的光纖法布里-珀羅壓力傳感頭的制作方法。為了解決上述問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下
本發(fā)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(gòu)成，石英毛細管(2)的喇叭口端與殼聚糖薄膜(3)通過化學(xué)結(jié)合，光纖(I)固定在石英毛細管(2)內(nèi)壁，固定在石英毛細管(2)內(nèi)壁的光纖(I)的端面與殼聚糖薄膜內(nèi)表面形成法布里-珀羅腔。
本發(fā)明的殼聚糖高性能光纖壓力傳感頭的制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于毛細管軸線，然后將加工好的毛細管在酒精溶液中用超聲波清洗2-20分鐘，重復(fù)清洗2-3遍，最后.100°C烘干2-4小時；
(2)根據(jù)光纖傳感頭的性能要求，用質(zhì)量濃度為O.5-5%的醋酸，配制質(zhì)量濃度為1-5%的殼聚糖溶液，并按照殼聚糖與戊二醛100:1-10的質(zhì)量比例，摻入戊二醛，制備殼聚糖戊二醛溶液；
(3)根據(jù)傳感頭靈敏度要求，將制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于毛細管的喇叭口端面，然后80°C高溫干燥，在端面形成可隨著外界壓力的變化發(fā)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，以備將光纖固定于毛細管內(nèi)壁；
(5)在光纖傳感頭的精密制作平臺上，通過激光熱熔工藝或者殼聚糖戊二醛溶液將光纖固定在毛細管內(nèi)壁，并且使光纖端面與通過步驟(3)形成的殼聚糖薄膜內(nèi)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里-珀羅腔。本發(fā)明的殼聚糖薄膜，其厚度在5-400微米，所配制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(yīng)頻率參數(shù)要求確定。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果如下
(1)從傳感頭結(jié)構(gòu)和制作步驟可以看出，光纖端面與殼聚糖薄膜的內(nèi)表面構(gòu)成了法布里-珀羅腔，光纖采用單模光纖，纖芯直徑9微米，光經(jīng)過導(dǎo)入光纖直接進入法布里-珀羅腔，腔長在40-500微米，具體長度由傳感信號質(zhì)量的要求決定，通常在100微米左右；
(2)在制作殼聚糖薄膜時，薄膜內(nèi)表面很容易形成光滑表面，滿足法布里-珀羅腔反射面的光潔度和反射率要求；由于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里-珀羅腔，然后被殼聚糖薄膜垂直反射；
(3)殼聚糖薄膜里面摻入了戊二醛，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(wěn)定性和使用壽命，擴大了它的適用范圍，既適用于空氣又適用于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制來獲得，所以基于這種發(fā)明的光纖傳感頭很容易實現(xiàn)對壓力信號進行高靈敏度探測，且制備方法簡單、快速、容易實現(xiàn)；
此外，本發(fā)明的光纖傳感頭還與現(xiàn)有的光通信設(shè)備相兼容。綜上，借助本發(fā)明可以實現(xiàn)制作簡便、速度快、精度高、靈敏度高、穩(wěn)定性好的光纖法布里-珀羅壓力傳感頭的制作；
本發(fā)明基于殼聚糖光纖壓力傳感頭的工作原理(圖3)是光信號經(jīng)光纖垂直入射到法布里-珀羅腔，部分光信號被單模光纖端面反射，剩余光信號到達殼聚糖內(nèi)表面時被垂直反射，然后耦合進入單模光纖，從而形成干涉條紋；當外界的聲音壓力或其他壓力作用于殼聚糖膜片時，膜片發(fā)生相應(yīng)的輕微擾動，從而改變光纖傳感頭法布里-珀羅腔的腔長，此時傳感信號也隨之發(fā)生相應(yīng)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(xiàn)有的膜片式光纖壓力傳感頭的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為基于本發(fā)明的殼聚糖膜片式光纖壓力傳感頭的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為光纖壓力傳感頭的工作原理圖。圖4為本發(fā)明的光纖傳感頭應(yīng)用時可能采用的解調(diào)系統(tǒng)示意圖。
具體實施例方式下面通過實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明，這些實施例僅用來說明本發(fā)明，并不限制本發(fā)明的范圍。實施例I本發(fā)明的光纖壓力傳感頭結(jié)構(gòu)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(gòu)成。本實施例中光纖壓力傳感頭的制作步驟為
(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于毛細管軸線，然后將加工好的毛細管在純酒精溶液中用超聲波清洗2分鐘，重復(fù)清洗3次，最后100°C烘干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(shù)決定，根據(jù)所設(shè)計的光纖傳感頭性能要求，用O. 5%的醋酸配制濃度為1%的殼聚糖溶液，并且摻入戊二醛，殼聚糖與戊二醛比例為100 :3，制備成殼聚糖戊二醛溶液；
(3)將配制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(jié)劑作用，使得毛細管的喇叭口端面與殼聚糖膜片的粘結(jié)牢固，并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后80°C高溫干燥；
(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，以備將光纖固定于毛細管內(nèi)壁；
(5)在光纖傳感頭的精密制作平臺上，借助于先進的激光微加工工藝，通過CO2激光將光纖熱熔、焊接在毛細管的內(nèi)壁，并且使光纖端面與殼聚糖薄膜內(nèi)表面之間的空氣間隙為80微米，形成法布里-珀羅腔。如此即完成了本發(fā)明光纖傳感頭的制作。實施例2 本發(fā)明的光纖壓力傳感頭結(jié)構(gòu)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(gòu)成。本實施例中光纖壓力傳感頭的制作步驟為
(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于毛細管軸線，然后將加工好的毛細管在純酒精溶液中用超聲波清洗5分鐘，重復(fù)清洗3次，最后100°C烘干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(shù)決定，根據(jù)所設(shè)計的光纖傳感頭性能要求，用2. 5%的醋酸配制濃度為2%的殼聚糖溶液，并且摻入戊二醛，殼聚糖與戊二醛比例為100 :5，制備成殼聚糖戊二醛溶液；
(3)將配制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(jié)劑作用，使得毛細管的喇叭口端面與殼聚糖膜片的粘結(jié)牢固，并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后80°C高溫干燥；
(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，以備將光纖固定于毛細管內(nèi)壁；
(5)在光纖傳感頭的精密制作平臺上，借助于先進的激光微加工工藝，通過CO2激光將光纖熱熔、焊接在毛細管的內(nèi)壁，并且使光纖端面與殼聚糖薄膜內(nèi)表面之間的空氣間隙為100微米，形成法布里-珀羅腔。如此即完成了本發(fā)明光纖傳感頭的制作。實施例3 本發(fā)明的光纖壓力傳感頭結(jié)構(gòu)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(gòu)成。本實施例中光纖壓力傳感頭的制作步驟為
(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于毛細管軸線，然后將加工好的毛細管在純酒精溶液中用超聲波清洗15分鐘，重復(fù)清洗2次，最后100°C烘干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(shù) 決定，根據(jù)所設(shè)計的光纖傳感頭性能要求，用3%的醋酸配制濃度為5%的殼聚糖溶液，并且摻入戊二醛，殼聚糖與戊二醛比例為100 :7，制備成殼聚糖戊二醛溶液；
(3)將配制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(jié)劑作用，使得毛細管的喇叭口端面與殼聚糖膜片的粘結(jié)牢固，并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后80°C高溫干燥；
(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，以備將光纖固定于毛細管內(nèi)壁；
(5)在光纖傳感頭的精密制作平臺上，借助于先進的激光微加工工藝，通過CO2激光將光纖熱熔、焊接在毛細管的內(nèi)壁，并且使光纖端面與殼聚糖薄膜內(nèi)表面之間的空氣間隙為300微米，形成法布里-珀羅腔。如此即完成了本發(fā)明光纖傳感頭的制作。實施例4 本發(fā)明的光纖壓力傳感頭結(jié)構(gòu)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(gòu)成。本實施例中光纖壓力傳感頭的制作步驟為
(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于毛細管軸線，然后將加工好的毛細管在純酒精溶液中用超聲波清洗20分鐘，重復(fù)清洗2次，最后100°C烘干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(yīng)率參數(shù)決定，根據(jù)所設(shè)計的光纖傳感頭性能要求，用I. 5%的醋酸配制濃度為3. 5%的殼聚糖溶液，并且摻入戊二醛，殼聚糖與戊二醛比例為100 :10，制備成殼聚糖戊二醛溶液；
(3)將配制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(jié)劑作用，使得毛細管的喇叭口端面與殼聚糖膜片的粘結(jié)牢固，并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后80°C高溫干燥；
(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，以備將光纖固定于毛細管內(nèi)壁；
(5)在光纖傳感頭的精密制作平臺上，借助于先進的激光微加工工藝，通過CO2激光將光纖熱熔、焊接在毛細管的內(nèi)壁，并且使光纖端面與殼聚糖薄膜內(nèi)表面之間的空氣間隙為500微米，形成法布里-珀羅腔。如此即完成了本發(fā)明光纖傳感頭的制作。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制作簡單、快捷，并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(yīng)膜片，本發(fā)明的傳感頭制作顯得非常靈活，從而對聲音壓力或其他外界壓力實現(xiàn)高精度、高靈敏度的探測；另外，由于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征，因此本發(fā)明的光纖壓力傳感頭不僅適用于空氣中的壓力探測，也適用于水中由于各種因素產(chǎn)生的壓力信號探測?？傮w考慮本發(fā)明可以實現(xiàn)制作簡單、快捷、靈活，精度高、靈敏度高，可靠性好的光纖壓力傳感頭。
權(quán)利要求
1.一種殼聚糖薄膜高性能光纖壓力傳感頭，其特征在于傳感頭由光纖(I)、帶喇叭口的石英毛細管(2)、殼聚糖薄膜(3)構(gòu)成，石英毛細管(2)的喇叭口端與殼聚糖薄膜(3)通過化學(xué)結(jié)合，光纖(I)固定在石英毛細管(2)內(nèi)壁，固定在石英毛細管(2)內(nèi)壁的光纖(I)的端面與殼聚糖薄膜內(nèi)表面形成法布里-珀羅腔。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的殼聚糖薄膜高性能光纖壓力傳感頭，其特征在于所述的化學(xué)結(jié)合是通過粘合劑戊二醛結(jié)合。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述殼聚糖薄膜高性能光纖壓力傳感頭的制作方法，其特征在于按以下步驟進行 (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于毛細管軸線，然后將加工好的毛細管在酒精溶液中用超聲波清洗5-20分鐘，重復(fù)清洗2-3遍，最后100°C烘干2-4小時； (2)根據(jù)光纖傳感頭的性能要求，用質(zhì)量濃度為O.5-5%的醋酸，配制質(zhì)量濃度為1-5%的殼聚糖溶液，并按照殼聚糖與戊二醛100:1-10的質(zhì)量比例，摻入戊二醛，制備殼聚糖戊二醛溶液； (3)根據(jù)傳感頭靈敏度要求，將制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于毛細管的喇叭口端面，然后80°C高溫干燥，在端面形成隨著外界壓力的變化發(fā)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，以備將光纖固定于毛細管內(nèi)壁； (5)在光纖傳感頭的精密制作平臺上，通過激光熱熔工藝或者殼聚糖戊二醛溶液將光纖固定在毛細管內(nèi)壁，并且使光纖端面與通過步驟(3)形成的殼聚糖薄膜內(nèi)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里-珀羅腔。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的殼聚糖薄膜高性能光纖壓力傳感頭的制作方法，其特征在于所述的殼聚糖薄膜的厚度在5-400微米，所配制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(yīng)頻率參數(shù)要求確定。
全文摘要
本發(fā)明公開了殼聚糖薄膜高性能光纖壓力傳感頭及其制作方法，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(gòu)成；石英毛細管的喇叭口端與殼聚糖薄膜通過化學(xué)結(jié)合，固定在石英毛細管里的光纖的端面與殼聚糖薄膜內(nèi)表面形成法布里-珀羅腔；制作方法是將石英毛細管的喇叭口端面磨砂拋光，然后將配制好的殼聚糖戊二醛溶液薄膜化處理，在戊二醛的作用下粘于毛細管喇叭口端面，形成殼聚糖薄膜，再處理好光纖端面，用激光熱熔工藝或殼聚糖溶液將光纖固定在毛細管內(nèi)壁，使端面與殼聚糖薄膜內(nèi)表面具有一定的空氣間隙，形成法布里-珀羅腔。本發(fā)明傳感頭靈敏度高、穩(wěn)定性好、適用范圍廣，制作方法簡單、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(yōu)先權(quán)日2011年7月11日
發(fā)明者李思東, 王文華, 封余軍, 師文慶, 熊正燁, 問莉莉 申請人:廣東海洋大學(xué)