基于氯化锂掺杂聚酰亚胺的光纤湿度传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于氯化锂掺杂聚酰亚胺的光纤湿度传感器及其制备方法，其中光纤湿度传感器包括光纤布拉格光栅对，其尾纤为单模光纤，其中一个光纤布拉格光栅的外表面涂覆聚酰亚胺涂层，所述聚酰亚胺涂层含有氯化锂和热固性聚酰亚胺。本发明专利技术结合掺杂型聚酰亚胺和光纤布拉格光栅制备的光纤湿度传感器，具有体积小、重量轻、灵敏度高、重复性好、制作简单、成本低廉等特点，尤其对比于传统湿度传感器，其测量范围大，线性度好，易于分布式传感。

【技术实现步骤摘要】
基于氯化锂掺杂聚酰亚胺的光纤湿度传感器及其制备方法
本专利技术涉及光纤传感领域，高分子材料领域，尤其涉及聚酰亚胺的掺杂与光纤结合的湿度传感器及其制备方法。
技术介绍
近年来，随着国防、存储、运输、航天、食品、养殖、制药等行业的飞速发展，对环境中准确的水含量要求越来越高，因此对环境湿度准确监测的需求也越来越大。如在武器的储藏过程中，过高的湿度容易引起武器失效；在食品运输的过程中，合适的湿度才能保证食品长期存放；在农业中，合适的湿度是植物生长的基本要求；林业中，空气中的湿度被认为是判断森林火灾的重要指标。对于湿度传感器，其主要参数有量程、灵敏度、响应时间、稳定性、重复性和温度特性等。早期出现的湿度传感器，如毛发湿度计、干湿球湿度计和电子湿度计等，因为结构简单，成本较低被广泛应用于不同领域，尤其是电子湿度计，其良好的灵敏度特性及较广的量程，使其成为目前最受欢迎的湿度传感器。但是，随着人们的应用场景逐渐多样，传统的湿度传感器出现了难以解决的问题，如体积过大、稳定性差、寿命短、湿滞、无法应用于恶劣环境以及不便分布式测量等，导致其在核物理、海洋、电网、气象等领域的应用受限。与传统的湿度传感器不同，光纤湿度传感器具有体积小、质量轻、稳定性好等优点。光纤的主要成分是石英(SiO2)，具备熔点高、耐腐蚀、抗电磁干扰等优点。光纤传感器探头部分无电信号，在易燃易爆的测试环境中易实现分布式测量，目前已有越来越多的光纤湿度传感器应用于实际工程中。光纤传感器是以光信号作为载体，通过结构或者敏感元件将环境变化与光信号建立联系的一种传感器。光学参数如强度、相位、波长、频率、偏振态等都可作为传感参量。
技术实现思路
本专利技术旨在解决现有光纤传感器灵敏度低，稳定性差，重复性差，线性度不好的缺陷，提供一种结构简单、成本低廉、易于制成分布式传感网络的基于氯化锂掺杂聚酰亚胺的光纤湿度传感器及其制备方法。本专利技术的另一个目的，是解决单纯聚酰亚胺薄膜湿敏响应程度不够的缺点，在聚酰亚胺的前驱体聚酰胺酸中加入吸水无机材料氯化锂，可以增大材料的吸水膨胀率，从而增大作用于光栅的应力，达到增大光栅波长漂移量的目的。本专利技术的上述目的通过如下技术方案予以实现：提供一种基于氯化锂掺杂聚酰亚胺的光纤湿度传感器，包括光纤布拉格光栅对，其尾纤为单模光纤，其中一个光纤布拉格光栅的外表面涂覆聚酰亚胺涂层，所述聚酰亚胺涂层包括高纯度氯化锂和热固性聚酰亚胺。接上述技术方案，每个光纤布拉格光栅的栅区长度为2～10mm，栅区间隔10～30mm。接上述技术方案，所述聚酰亚胺涂层的厚度为10～25μm。接上述技术方案，所述聚酰亚胺涂层通过提拉镀膜和加热固化的方式均匀镀制在布拉格光栅侧面。接上述技术方案，光纤布拉格光栅对的两个光栅具有不同的波长。接上述技术方案，所述聚酰亚胺涂层为将高纯度的氯化锂LiCl参入聚酰亚胺的前驱体聚酰胺酸PAA中制成，质量比LiCl:PAA为0.001～0.01。接上述技术方案，所述布拉格光栅对中的两个光栅通过串联或并联的方式组成波分复用式传感网络，波长容量为2～500个。本专利技术还提供一种基于氯化锂掺杂聚酰亚胺的光纤湿度传感器的制备方法，包括如下步骤：S1.将去涂覆层处理后的光栅通过食人鱼溶液进行处理，该食人鱼溶液中浓硫酸和双氧水的体积比为3:1；S2.经S1处理后的光栅浸入硅烷偶联剂溶液中处理，硅烷偶联剂溶液中硅烷偶联剂与无水乙醇以体积比为7:3；S3.经S2处理的光栅通过管状容器浸入氯化锂掺杂的聚酰胺酸溶液中，氯化锂与聚酰胺酸的质量比为0.001～0.01；S4.光栅一端固定于浸渍提拉镀膜机，通过在竖直方向浸渍提拉镀膜的方式将溶液镀制在光栅外表面；S5.光栅提拉至最高点的停留期间，通过加热筒进行热预固化；S6.从容器上端取出光栅，栅区悬空固定，经高温炉热固化处理。接上述技术方案，提拉镀膜的上升速度为100～250μm/s。接上述技术方案，固定光栅的热固化夹具为U型，预固化温度为150～200℃，固化温度为180℃。本专利技术产生的有益效果是：本专利技术基于氯化锂掺杂聚酰亚胺的光纤湿度传感器，以光纤作为光波导，光纤光栅波长作为传感参量，聚酰亚胺及其掺杂物作为湿敏元件，测试对象为环境中相对湿度。环境中相对湿度的变化引起聚酰亚胺材料的膨胀或收缩，产生的应力作用于光纤光栅，通过检测反射光中光栅的中心波长实现对环境相对湿度的传感。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1为本专利技术实施例基于氯化锂掺杂聚酰亚胺的光纤湿度传感器的示意图；图2为本专利技术实施例光纤湿度传感器的解调系统图；图3为本专利技术实施例光纤湿度传感器的实际相对湿度响应图；图4为本专利技术实施例聚酰亚胺光栅的相对湿度响应图；图5为本专利技术实施例光纤湿度传感器波长随湿度响应图；图6为本专利技术实施例并联方式组成波分复用式传感网络的示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1所示，本专利技术实施例的基于氯化锂掺杂聚酰亚胺的光纤湿度传感器包括光纤布拉格光栅对，其尾纤为单模光纤17、18，其中一个光纤布拉格光栅11的外表面涂覆聚酰亚胺涂层13，所述聚酰亚胺涂层含有氯化锂和热固性聚酰亚胺。聚酰亚胺涂层通过提拉镀膜和加热固化的方式均匀镀制在光纤布拉格光栅11的外表面。光纤布拉格光栅11、12包括纤芯14和包层15。一般普通单模光纤的直径为125μm，纤芯直径为8μm，尾纤长度1m，涂层为丙烯酸酯。所述光纤布拉格光栅反射率为90％，3dB带宽小于0.3nm，边摸抑制比大于15dB。本专利技术的光纤布拉格光栅有其特定的布拉格波长，即中心波长。中心波长值通过光纤光栅解调仪解调得出，其解调波长范围为1520～1570nm，解调精度为0.1pm，选用的光纤解调仪共4个解调通道，每个通道的解调上限为30个。本专利技术实施例中，每个光纤布拉格光栅的栅区长度为2～10mm，栅区间隔10～30mm。光纤布拉格光栅对的两个光栅具有不同的波长。布拉格光栅对中的两个光栅通过串联或并联的方式组成波分复用式传感网络，波长容量为2～500个。串联方式如图1所示。并联方式如图6所示，光栅a和光栅b分别接在单模光纤1x2耦合器的2端和3端，耦合器1端接入波长解调系统，要求光栅a、b波长不同，从1端口输出的光信号即包含ab两个光栅的波长信息。进一步地，聚酰亚胺膜层的层数可为多层，聚酰亚胺涂层的厚度为10～25μm。聚酰亚胺指主链上存在酰亚胺环的一类聚合物，与其他芳杂环聚合物相比，聚酰亚胺具有优越的综合性能，多种合成途径，易加工等优点。综合性能包括很高的热稳定性、良好的机械性能、耐腐蚀、耐辐照、耐低温、无毒等。合成聚酰亚胺的二酐有数百种，二胺有上千种之多，被成功合成的聚酰亚胺达到数千种。而熔融加工法、RTM法、PMR法等方法使得聚酰亚胺的加工相比其他聚合物更容易加工。本专利技术主要利用了聚酰亚胺吸湿线性膨胀的特性，因此聚酰亚胺的合成加工以及湿胀性能成为主要的关注点。氯化锂为氯化钠型结构，是典型的无机吸水材料，其中的化学键并非典型的离子键，因此它可以溶于很多有机溶剂中，与乙醇、甲醇、胺类都可以形成组成不同的加合物。掺入氯化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于氯化锂掺杂聚酰亚胺的光纤湿度传感器，其特征在于，包括光纤布拉格光栅对，其尾纤为单模光纤，其中一个光纤布拉格光栅的外表面涂覆聚酰亚胺涂层，所述聚酰亚胺涂层含有氯化锂和热固性聚酰亚胺。

【技术特征摘要】
1.一种基于氯化锂掺杂聚酰亚胺的光纤湿度传感器，其特征在于，包括光纤布拉格光栅对，其尾纤为单模光纤，其中一个光纤布拉格光栅的外表面涂覆聚酰亚胺涂层，所述聚酰亚胺涂层含有氯化锂和热固性聚酰亚胺。2.根据权利要求1所述的基于氯化锂掺杂聚酰亚胺的光纤湿度传感器，其特征在于，每个光纤布拉格光栅的栅区长度为2~10mm，栅区间隔10~30mm。3.根据权利要求1所述的基于氯化锂掺杂聚酰亚胺的光纤湿度传感器，其特征在于，所述聚酰亚胺涂层的厚度为10~25μm。4.根据权利要求1所述的基于氯化锂掺杂聚酰亚胺的光纤湿度传感器，其特征在于，所述聚酰亚胺涂层通过提拉镀膜和加热固化的方式均匀镀制在布拉格光栅外表面。5.根据权利要求1所述的基于氯化锂掺杂聚酰亚胺的光纤湿度传感器，其特征在于，光纤布拉格光栅对的两个光栅具有不同的波长。6.根据权利要求1所述的基于氯化锂掺杂聚酰亚胺的光纤湿度传感器，其特征在于，所述聚酰亚胺涂层为将高纯度的氯化锂LiCl参入聚酰亚胺的前驱体聚酰胺酸PAA中制成，质量比LiCl:PAA为0.001~0.01。7.根据权利要求1所述的基于氯化锂掺杂聚酰亚胺的光纤湿度传感器，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨明红，王维佳，孙藤鹏，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42