[发明专利]水凝胶作敏感元件的光纤光栅湿度传感器及其制作方法

说明书

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℃的条件下载氢48小时。利用波长为248nm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℃条件下退火24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acrylamide，交联剂是N,N’-methylene 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。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。