一种光纤探头制备工艺及其应用的湿度感应膜

技术领域

本发明属于光纤传感领域，具体涉及一种光纤探头制备工艺及其应用的湿度感应膜。

背景技术

现有的湿敏元件主要有电阻和电容两大类，其中湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度；其中湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等，当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。

现有的湿敏元件，不管是电阻还是电容类，普遍存在的问题是不耐腐蚀，且容易受电磁干扰，成本也较高。尤其是在某些对精度要求高的领域，例如说飞机管道系统领域，应用环境较为恶劣和复杂，且要求管道全覆盖监测，监测精度和灵敏度都要求极高，传统的湿敏元件很难满足要求。

发明内容

本发明提供的一种光纤探头制备工艺及其应用的湿度感应膜，能有效解决现有技术存在的问题，成本低、耐腐蚀，还不受电磁干扰。

本发明提供的一种光纤探头制备工艺，包括光纤头，光纤头包括芯层和包层，包层包覆在芯层外，光纤头的包层外还设有镀膜层，镀膜层的制备包括以下步骤：

A1：将0.3-0.6g聚乙烯醇加入到10ml氧化石墨烯分散液并混合搅拌形成成膜涂料；

A2：将光纤头浸没在成膜涂料中，成膜涂料温度保持在70-90℃；

A3：向光纤头注入20mW-40mW的激光并持续30-45分钟，将成膜涂料镀覆在光纤头表面形成镀膜层；

A4：将光纤头上镀膜层烘干。

作为本分明的进一步优化，步骤A4采用室温下自然干燥。

作为本分明的进一步优化，步骤A4的干燥时间为48-72小时。

本发明还提供一种湿度感应膜，包括环氧树脂膜和光纤；光纤设于环氧树脂膜上，光纤上设有若干光感湿度传感器，光感湿度传感器采用所述的光纤探头制备工艺制备。

作为本发明的进一步优化，光纤上还设有电容式湿度传感器，电容式湿度传感器和光感湿度传感器交替分布在光纤上。

作为本发明的进一步优化，环氧树脂膜的制备包括以下步骤：

B1：将100g环氧树脂以及25-60g氧化铝粉加入到5-10g活性稀释剂中并搅拌均匀；

B2：向B1的混合体中加入25-40g环氧树脂固化剂并混合均匀；

B3：将B2的混合体导入模具静置成环氧树脂膜。

作为本发明的进一步优化，环氧树脂选用E51、E44、E42类型中的任意一种。

作为本发明的进一步优化，活性稀释剂选用正丁基缩水甘油醚、甲酚缩水甘油醚、丁二醇二缩水甘油醚中的一种或者两种混合。

作为本发明的进一步优化，环氧树脂固化剂选用593固化剂、T31固化剂、聚醚胺固化剂中的一种或者两种混合。

作为本发明的进一步优化，步骤B3的静置环境为40℃，静置时长为8小时。

作为本发明的进一步优化，步骤B3还包括将光纤预埋在模具中的步骤。

本发明至少具备以下有益效果：

1、利用激光的光热和光压效应，可以使圆柱型光纤头受热均匀，从而在光纤传感结构的侧表面获得均匀的镀膜效果。均匀的镀膜效果能有效保障光纤探头的灵敏度。

2、本工艺均匀的镀膜效果，可重复性操作度极高，为工业量产以及量产后降低次品率打下了很好的基础。

3、该镀膜工艺所用的镀膜装置简便，原材料价格低廉，工艺过程简单，能大幅度降低工业量产的生产成本。

4、该湿度传感器湿度响应时间短，反应灵敏，能够快速实现液体渗漏预警，且具备耐腐蚀，无电磁干扰等优点。

5、该镀膜工艺采用聚合物掺杂，能提高传感器柔性，满足复杂工况使用需求，可以实现带伤服役。

附图说明

图1是实施例1流程图。

具体实施方式

实施例1

原始石墨是疏水的，经过氧化以后石墨表面会形成大量的含氧基团如羧基、羟基、环氧基等，从而使氧化石墨具有很好的亲水性，再经过超声振荡处理后就可以分散成氧化石墨烯。极性基团同样使氧化石墨烯与某些极性聚合物的相容性增加，稳定分散的氧化石墨烯通过溶液法与聚合物材料混合可以制备出具备优良电学性能和力学性能的纳米复合材料，使氧化石墨烯成为优良的纳米复合材料补强填充料。由于氧化石墨烯的良好性能，其对聚合物材料的力学性能、热性能等的补强效果相对于其它无机补强填料更优异，同时在聚合物基体中的添加量也比传统的补强填料要少。除此之外，氧化石墨烯还具有优异的光响应性，具有灵敏度高、响应速度快和可重复性好的特点。

聚乙烯醇是一种亲水生物可降解聚合物，是一种良好的膜材料。聚乙烯醇中含有大量亲水性基团，具有很好的亲水性和成膜特性，是一种具备线性结构的聚合物分子，通过交联可以形成大分子的网络结构，分子间氢键等相互作用力可以提高聚乙烯醇的热稳定性。

本实施例提供的一种光纤探头制备工艺，充分利用氧化石墨烯和聚乙烯醇的特性，将其制成成膜涂料，并采用光压法镀在光纤头表面，当镀膜层受到周围湿度影响时，光纤内的光路折射率也会有所变化，以达到湿度检测的作用。光纤头是指小段光纤，光纤头包括芯层和包层，包层包覆在芯层外，光纤头的包层外还设有镀膜层，镀膜层的制备包括以下步骤：

S1：将0.3-0.6g聚乙烯醇加入到10ml氧化石墨烯分散液(浓度为1mg/ml-1.5mg/ml)并混合搅拌形成成膜涂料，本实施例中搅拌方法采用的是磁力搅拌。

A2：将光纤头浸没在成膜涂料中。在浸泡前，还应当将光纤头用酒精清洗干净。

A2：采用光压法将成膜涂料镀覆在光纤头表面。具体地，是利用激光光源向光纤头注入功率为20mW-40mW的激光，注入过程中使用光功率计对激光地功率进行监测，保证激光功率地稳定性，注入时间维持在30-45分钟，在镀膜期间，成膜涂料的温度保持在70-80℃。

该过程是利用激光产生光压和光热效应，将成膜涂料的分子吸附在传感结构的侧表面。

A3：将光纤头上镀膜烘干。烘干是指用某种方式去除溶剂保留固体含量的工艺过程，这里的烘干可以采用加热，或者自然干燥，本实施例是采用室温下自然干燥48-72小时。

本实施例的镀膜原理如下：

当一定功率的激光经过光纤头时，激光会被耦合进入光纤头的包层，从而在光纤头的包层处产生大量热量，同时，光纤头的侧表面还会形成光压。通光时，将光纤头浸入到成膜涂料中，激光产生光压光热效应，待镀膜的材料分子会被吸附在光纤传感结构的侧表面，以达到均匀镀膜的效果，镀膜的均匀性实际上影响感应的准确性，因为膜层越均匀，其感应准确性越高。

因此，本实施例中采用成膜涂料与光纤结合的方式能极大提高湿度敏感度，极大提高传感效率。

实施例2

本实施例是在是实施例2的基础上提供一种湿度感应膜，包括环氧树脂膜和光纤。光纤设于环氧树脂膜上，具体地，光纤可以成波状密集分布，光纤上设有若干光感湿度传感器，光感湿度传感器采用上述镀膜工艺制备。

其中环氧树脂膜的制备包括以下步骤：

B1：将100g环氧树脂以及25-60g氧化铝粉加入到5-10g活性稀释剂中并搅拌均匀，可采用搅拌机进行搅拌。其中环氧树脂选用E51、E44、E42类型中的任意一种；其中活性稀释剂选用正丁基缩水甘油醚、甲酚缩水甘油醚、丁二醇二缩水甘油醚中的一种或者两种混合。

B2：向B1的混合体中加入25-40g环氧树脂固化剂并混合均匀。环氧树脂固化剂选用593固化剂、T31固化剂、聚醚胺固化剂中的一种或者两种混合。

B3：将B2的混合体导入模具静置成环氧树脂膜，具体地，是将B2的混合体导入模具后，在40℃条件下静置8小时成环氧树脂膜。本步骤中还包括将光纤预埋在模具中的步骤，待静置冷却后，含有光感湿度传感器的光纤与环氧树脂膜形成了一个整体，成为湿度感应膜。

优选地，光纤上还设有电容式湿度传感器，电容式湿度传感器和光感湿度传感器交替分布在光纤上。采用B3的制备工艺，最终使得含有光感湿度传感器和电容式湿度传感器的光纤与环氧树脂膜形成湿度感应膜。

光感湿度传感器原理是当空气湿度发生变化时会使传感器折射率发生变化，从而对光产生调制，从而可以通过输出端光信号的变化来表征湿度变化；电容传感器的原理是当湿度发生变化时，电容的介电常数发生变化，从而通过输出端电信号的变化来感知湿度变化。两种传感器交替排布能够大大缩短响应时间，提高湿度变化位置定位精度。

本实施例应用于飞机管道系统，采用分布式多点监测，无盲时盲区，能够完全整体性覆盖飞机管道系统，精确找出管道渗水点。本实施例灵敏度高，基于温差效应可实现管道系统渗漏的高精度识别与超前预警。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。