[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明的另一个目的，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。

本发明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。

本发明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：