一种在光纤栅区表面旋转涂覆高分子膜的装置及工艺与应用制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种在光纤栅区表面旋转涂覆高分子膜的装置及工艺与应用，属于光纤光栅的表面处理、微纳加工成型及光纤传感元件制备技术领域。包括：驱动装置、连接装置、模具、干燥装置、平台支架；所述平台支架上依次设置有驱动装置、连接装置、模具，所述平台支架上固定模具的一部分伸入到干燥装置中，所述驱动装置通过连接装置与光纤相连，所述光纤置于模具上，所述驱动装置带动光纤旋转。在光纤栅区表面涂覆得到厚度分布均匀、力学性能良好、可依据涂覆条件控制厚度的气敏高分子膜，从而制得具有优异的气体选择性、高检测精确度及灵敏度的光纤光栅气体传感器。

【技术实现步骤摘要】
一种在光纤栅区表面旋转涂覆高分子膜的装置及工艺与应用
本专利技术涉及一种在光纤栅区表面旋转涂覆高分子膜的装置及工艺与应用，属于光纤光栅的表面处理、微纳加工成型及光纤传感元件制备

技术介绍
公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。光纤光栅是近年来发展最为迅速、应用最为广泛的光纤无源器件之一。由于许多独特的优点，如优良的抗电磁干扰能力、高灵敏度、耐腐蚀性强，光纤光栅在光纤通信、光纤传感等领域均已得到了成熟的应用。但是在气体在线监测及检测领域，尤其是对工业生产时产生的易燃易爆气体、有机挥发性化合物(VolatileOrganicCompounds，VOCs)以及有害的无机气体的在线监测及检测领域，目前使用较多的有分光光度法、气相色谱法和高效液相色谱法，均具备良好的检测精度。但是这些技术通常具有一些缺点，如成本高昂、处理量低、不易便携、耗电量高、组网困难。因此，利用光纤光栅优良的抗电磁干扰、低损耗、易操作和易组网的特性，将气敏高分子材料与光纤光栅结合制备气体传感器，可实现对工业生产和日常生活中多种易燃易爆气体、VOCs以及有害的无机气体的在线监测及检测。在光纤光栅气体传感器的制造过程中，在光纤栅区表面涂覆得到厚度分布均匀、力学性能良好、可依据涂覆条件控制厚度的气敏高分子膜，是实现传感器优异的气体选择性、高检测精确度及灵敏度的前提。目前，在光纤栅区表面涂覆高分子膜的工艺主要有浸涂法、原位聚合法等。其中，浸涂法是将光纤栅区完全浸入预先制备的高分子溶液内，然后将其置于干燥箱干燥数小时或放置于室温环境中数小时，由于溶剂的自然挥发将在光纤栅区表面沉积一层高分子膜材料，此方法操作简单，但是专利技术人发现：该方法容易因溶液自身重力影响造成涂覆膜一侧的厚度明显大于另一侧的厚度，导致膜材料在光纤径向分布不均匀、得到的涂覆膜材料力学性能不佳等问题。原位聚合法是把反应性单体与催化剂全部加入分散相(或连续相)中，在芯材物质的表面逐步聚合得到所需高分子膜。但是专利技术人发现：原位聚合形成的高分子膜难以控制其厚度，并且聚合条件和设备要求苛刻，难以获得性能优良的传感器。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提出一种在光纤栅区表面旋转涂覆高分子膜的装置及工艺与应用。首先，利用光纤光栅优良的抗电磁干扰、低损耗、易操作、易组网的特性，将气敏高分子材料与光纤光栅结合制备气体传感器。本专利技术使用的是具有多个栅区的光纤，光纤直径为250μm，栅区直径(去除表面的聚酰亚胺或聚酰胺保护层之后)为125μm，每个栅区长度为10～15mm。同时，本专利技术还提出一种在光纤栅区表面旋转涂覆气敏高分子膜的工艺。该工艺主要包括：对光纤旋转速度的控制、模具的设计以及热处理温度的控制。该工艺可在光纤栅区表面涂覆得到厚度分布均匀、力学性能良好、可依据涂覆条件控制厚度的气敏高分子膜，从而制得具有优异的气体选择性、高检测精确度及灵敏度的光纤光栅气体传感器。并且这种涂覆工艺效率高，涂覆选择空间大，即可根据实际使用的光纤栅区数量进行调整，也可在不同的栅区同时涂覆不同的气敏高分子膜，亦可在不同的栅区涂覆不同厚度的气敏高分子膜等。为实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术的第一个方面，提供了一种在光纤栅区表面旋转涂覆高分子膜的装置，包括：驱动装置、连接装置、模具、干燥装置、平台支架；所述平台支架上依次设置有驱动装置、连接装置、模具，所述平台支架上固定模具的一部分伸入到干燥装置中，所述驱动装置通过连接装置与光纤相连，所述光纤置于模具上，所述驱动装置带动光纤旋转。本专利技术采用低速电动机带动光纤旋转，可在光纤栅区表面涂覆得到厚度分布均匀、力学性能良好、可依据涂覆条件控制厚度的气敏高分子膜。而涂覆模具上的溶液槽、光纤限位槽、纵向防溢槽、横向防溢槽以及光纤的限位装置，这些结构的协同设计确保了光纤始终在光纤限位槽内的中轴线上匀速转动，并且能精确地控制各栅区的涂膜厚度的均匀性和稳定性。最后，平台支架及隔热盖的协同设计可以保证干燥箱内温度的稳定和均匀，有利于控制涂膜过程的平稳性及各个光纤栅区表面高分子膜的稳定性。本专利技术的第二个方面，提供了一种在光纤栅区表面旋转涂覆高分子膜的工艺，包括：将光纤置于模具上，并与驱动装置相连；将模具的一部分伸入到干燥装置中；加热，待达到旋转涂覆的温度后，向模具的溶液槽中注入高分子溶液，旋转涂膜；待各个溶液槽内的光栅均与溶液槽内的溶液脱离后，升温，使光纤栅区表面的高分子膜固化，冷却至室温，得到表面涂覆有高分子膜的光栅。本专利技术的工艺可在光纤栅区表面涂覆得到厚度分布均匀、力学性能良好、可依据涂覆条件控制厚度的气敏高分子膜，从而制得具有优异的气体选择性、高的检测精确度及灵敏度的光纤光栅气体传感器，有助于节能减排、安全生产、可持续高质量发展。并且这种涂覆工艺效率高，涂覆选择空间大，即可根据实际使用的栅区数量进行调整，也可在不同栅区同时涂覆不同的气敏高分子膜，亦可在不同的栅区选择涂覆不同厚度的气敏高分子膜等。本专利技术还提供了任一上述的在光纤栅区表面旋转涂覆高分子膜的装置在制造在线监测及检测设备中的应用。特别是用于制作在线监测及检测易燃易爆气体、VOCs以及有害的无机气体的气体传感器。同时，该技术也可以应用于液态物质的溶剂种类及其浓度的检测、溶质种类及其浓度的检测。本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术利用光纤光栅优良的抗电磁干扰、低损耗、易操作、易组网的特性，将高分子材料与光纤光栅结合制备气体传感器，可实现对工业生产和日常生活中多种易燃易爆气体、VOCs以及有害的无机气体的在线监测及检测。(2)本专利技术采用低速电动机带动光纤旋转，可在光纤栅区表面涂覆得到厚度分布均匀、力学性能良好、可依据涂覆条件控制厚度的气敏高分子膜，从而制得具有优异的气体选择性、高的检测精确度及灵敏度的光纤光栅气体传感器。(3)本专利技术中的模具包括模具上的溶液槽、光纤限位槽、纵向防溢槽、横向防溢槽以及光纤的限位装置，这些结构的协同设计确保了光纤始终在光纤限位槽内的中轴线上转动，并且能精确地控制各栅区的涂膜厚度的均匀性和稳定性。(4)本专利技术中对于干燥箱温度的设定依据“低温旋涂、高温固化、梯度升温”的原则，可使高分子膜固化完全，提高高分子膜的模量和稳定性，并且可避免高分子膜内产生较大的残余应力。另外，平台支架及隔热盖的协同设计可以保证干燥箱内温度的稳定和均匀，有利于控制涂膜过程的平稳性及各个光纤栅区表面高分子膜的稳定性。(5)本专利技术可以在同一条光纤上得到不同厚度和/或不同种类的高分子膜/光纤光栅传感元件，构建传感阵列。(6)本专利技术的装置结构简单、操作方便、实用性强，易于推广。附图说明构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1为本专利技术实施例1-3的光纤栅区表面涂覆高分子膜的结构示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在光纤栅区表面旋转涂覆高分子膜的装置，其特征在于，包括：驱动装置、连接装置、模具、干燥装置、平台支架；所述平台支架上依次设置有驱动装置、连接装置、模具，所述平台支架上固定模具的一部分伸入到干燥装置中，所述驱动装置通过连接装置与光纤相连，所述光纤置于模具上，所述驱动装置带动光纤旋转。/n

【技术特征摘要】
1.一种在光纤栅区表面旋转涂覆高分子膜的装置，其特征在于，包括：驱动装置、连接装置、模具、干燥装置、平台支架；所述平台支架上依次设置有驱动装置、连接装置、模具，所述平台支架上固定模具的一部分伸入到干燥装置中，所述驱动装置通过连接装置与光纤相连，所述光纤置于模具上，所述驱动装置带动光纤旋转。


2.如权利要求1所述的在光纤栅区表面旋转涂覆高分子膜的装置，其特征在于，所述连接装置包括：第一管体、第二管体；所述第一管体与第二管体固定连接。


3.如权利要求2所述的在光纤栅区表面旋转涂覆高分子膜的装置，其特征在于，所述第一管体与驱动装置的转轴相连，光纤固定设置在第二管体内。


4.如权利要求1所述的在光纤栅区表面旋转涂覆高分子膜的装置，其特征在于，所述模具上设置有光纤限位槽、溶液槽、防溢槽。


5.如权利要求4所述的在光纤栅区表面旋转涂覆高分子膜的装置，其特征在于，所述模具上设置有限位装置；
优选的，所述限位装置包括：管体、片体、棒体。


6.如权利要求5所述的在光纤栅区表面旋转涂覆高分子膜的装置，其特征在于，所述管体设置在光纤限位槽内；
所述片体设置...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐永正，石静玉，贾玉玺，周振泽，高玉山，王海庆，刘利彬，乔从德，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37