一种基于双聚合物微球的光纤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双聚合物微球的光纤传感器及其制备方法，包括锥形光纤和同时覆盖在所述光纤锥形结构区的磁性聚合物微球和非磁性聚合物微球；所述磁性聚合物微球是具有磁性纳米粒子掺杂的聚合物材料，所述非磁性聚合物微球是未有磁性纳米粒子掺杂的聚合物材料。本发明专利技术通过将磁性纳米粒子掺杂在聚合物中并集成在光纤的锥形结构区形成磁性聚合物微球，同时将聚合物直接集成在光纤的锥形结构区上形成非磁性聚合物微球，如此所得的传感器同时具有优异的磁场和温度响应特性，既可用于对环境磁场的高灵敏探测，又避免磁流体的团簇，同时还可以滤除环境温度对磁场测量的影响，避免了磁场测量过程中温度的串扰。免了磁场测量过程中温度的串扰。免了磁场测量过程中温度的串扰。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双聚合物微球的光纤传感器及其制备方法


[0001]本专利技术属于光纤传感器
，尤其涉及一种基于双聚合物微球的光纤传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]磁场作为一种重要的物理量，受到了广泛研究。在磁场探测方面，传统的磁场传感器具有体积大、结构复杂、动态范围小等缺点，在轻便、灵敏、快速方面稍逊于光纤磁场传感器。光纤磁场传感器利用光信号作为载体对被测信号进行感应，精度高、耐腐蚀、抗电磁干扰，可有效避免电学磁场传感器的不足，受到该领域研究者们的喜爱。其中，光纤磁场传感器体积小、灵敏度高，可以远距离监控，且通过激光微纳米加工、化学腐蚀和熔融等技术可以制作成所需形状的传感结构而备受关注。目前，在航空航天、海油系统、电网系统、道路监控、轨道交通、食品安全等领域都有着广泛的应用。
[0003]由于光纤材料本身对环境磁场不敏感，因此光纤磁场传感器主要通过将磁致伸缩材料和磁光材料与光纤集成制备获得。磁流体是一种新型的功能材料，当存在外磁场的时候，磁流体内部的固体颗粒会发生聚集并沿着外磁场方向作用定向排列，从而引起磁流体的折射率发生变化。因此技术人员研发了基于磁流体的光纤磁场传感器，其在磁场检测方面给出了较好的解决方案。虽然利用磁流体的磁光特性在调制光信号的强度、相位、波长等特征参量实现了磁场的高精度传感，但考虑到磁流体是将磁颗粒和载液混合制备而成，因此在强磁场作用下，磁颗粒与载液会发生分离产生团簇现象，磁流体的团簇现象会导致器件性能发生改变甚至被损坏，因此目前这类结构的传感器应用受到了一定的限制。与此同时，由于光纤传感器的光谱信号不可避免会受到环境温度的影响，因此环境温度是影响光纤磁场传感器的测量准确度的重要因素，因此如何克服光纤传感器在磁场测量中的环境温度影响亦是本领域技术人员需要考虑的一个重点方面。

技术实现思路

[0004]基于上述技术问题，本专利技术提供了一种基于双聚合物微球的光纤传感器及其制备方法，通过将磁性纳米粒子掺杂在聚合物中并集成在光纤的锥形结构区形成磁性聚合物微球，同时将聚合物直接集成在光纤的锥形结构区上形成非磁性聚合物微球，如此所得的传感器同时具有优异的磁场和温度响应特性，既可用于对环境磁场的高灵敏探测，又避免磁流体的团簇，同时还可以滤除环境温度对磁场测量的影响，避免了磁场测量过程中温度的串扰。
[0005]本专利技术提出的一种基于双聚合物微球的光纤传感器，包括锥形光纤和同时覆盖在所述光纤锥形结构区的磁性聚合物微球和非磁性聚合物微球；
[0006]所述磁性聚合物微球是具有磁性纳米粒子掺杂的聚合物，所述非磁性聚合物微球是未有磁性纳米粒子掺杂的聚合物。
[0007]本专利技术中，通过同时将有磁性纳米粒子掺杂的聚合物以及未有磁性纳米粒子掺杂
的聚合物集成在光纤锥形结构区，形成光纤锥形结构区同时具有磁性聚合物微球和非磁性聚合物微球的光纤传感器，一方面，由于磁性纳米粒子的掺杂作用，其可以相对固着在聚合物中，不容易在磁场作用下发生团簇，因此所得传感器具有高灵敏的磁场传感效果；另一方面，非磁性聚合物微球具有高灵敏的温度传感效果，因此通过非磁性聚合物微球作为对照，滤除环境温度对磁场测量的影响，避免了磁场测量过程中温度的串扰。
[0008]优选地，所述锥形光纤的锥形结构区包括锥腰区和位于锥腰区两端的两个锥形过渡区；
[0009]优选地，所述锥腰区的横截面直径为0
‑
25μm，所述锥形过渡区的长度为0
‑
15mm。
[0010]优选地，所述磁性聚合物微球和非磁性聚合物微球之间的光纤长度为0
‑
1mm。
[0011]优选地，所述磁性聚合物微球是通过将磁性纳米粒子与聚合物混匀后固化得到；优选地，所述磁性聚合物微球是通过将磁流体与光刻胶混匀后光照固化得到；
[0012]优选地，所述非磁性聚合物微球是通过将聚合物固化得到；优选地，所述非磁性聚合物微球是将光刻胶光照固化后得到。
[0013]优选地，所述磁流体为包含Fe3O4纳米粒子、表面活性剂和溶剂的胶体溶液，所述光刻胶为光刻胶GM1070；
[0014]优选地，所述磁流体与光刻胶的体积比为1:1
‑
3。
[0015]优选地，所述光纤磁场传感器还包括宽带光源和光谱仪；
[0016]优选地，所述宽带光源和光谱仪分别与所述锥形光纤的输入端和输出端相连。
[0017]优选地，所述锥形结构区同时覆盖有磁性聚合物微球和非磁性聚合物微球的锥形光纤是用于将进入所述锥形光纤的光形成干涉光，所述干涉光随磁场或温度变化而随之发生相应的变化。
[0018]本专利技术还提出一种基于双聚合物微球的光纤传感器的制备方法，包括如下步骤：
[0019]S1、将光纤采用熔融拉锥技术进行拉锥，得到具有锥形结构区的锥形光纤；
[0020]S2、将单独聚合物与混合磁性纳米粒子的聚合物分别涂覆在所述光纤的锥形结构区后形成两微球，固化反应后，即得到所述基于双聚合物微球的光纤传感器。
[0021]优选地，步骤S1中，将两根光纤熔接后，对熔接区域进行加热，再对加热区域两端的光纤进行拉伸，得到具有锥形结构区的锥形光纤。
[0022]优选地，步骤S2中，将光刻胶与混合磁流体的光刻胶分别涂覆在所述光纤的锥形结构区后形成两微球，紫外光照射后固化，即得到所述基于双聚合物微球的光纤传感器；
[0023]优选地，所述紫外光的光斑尺寸为5
‑
7mm，波长为365nm，照射时间为1
‑
3min。
[0024]本专利技术中，将包含磁性纳米粒子的聚合物涂抹在光纤的锥形结构区一侧形成一个磁性聚合物微球，将单独聚合物涂抹在光纤的锥形结构区另一侧形成一个非磁性聚合物微球，经过固化后分别形成掺杂磁性纳米粒子的磁性聚合物微球和未掺杂磁性纳米粒子的非磁性聚合物微球，由此构成一个同时包含聚合物双微球与锥形光纤的新的马赫
‑
曾德尔干涉仪；工作时，入射光到达锥形结构区时分别在光纤以及磁性和非磁性聚合物微球中传输并在锥的另一侧耦合，形成透射干涉谱；在磁场作用下，磁性聚合物微球被外磁场磁化，集成有磁性聚合物微球的光纤锥结构在外磁场作用下发生形变，磁场越强，形变越明显，同时磁性聚合物微球的折射率也随磁场发生改变，折射率和形状的改变都将调制光纤传感结构的相位信息，最终引起干涉谱的移动；由于聚合物微球具有很好的热光和热膨胀效应，在温
度场作用下，聚合物微球受温度影响，其折射率也随温度发生改变，最终引起干涉谱的移动。因此，环境温度和磁场将对两路信号的相位进行调制从而引起该传感器的透射谱发生移动，采用传感矩阵的方法可实现环境温度和磁场的同时测量，同时也可有效的避免磁场测量过程中温度的串扰。
[0025]本专利技术所述光纤传感器的具体工作原理如下：
[0026]锥形光纤集成磁性和非磁性两个聚合物微球构成光纤马赫—曾德尔干涉仪传感器，锥形光纤以及磁性和非磁性聚合物微球分别作为干涉仪的两个臂，入射光分别被本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双聚合物微球的光纤传感器，其特征在于，包括锥形光纤和同时覆盖在所述光纤锥形结构区的磁性聚合物微球和非磁性聚合物微球；所述磁性聚合物微球是具有磁性纳米粒子掺杂的聚合物，所述非磁性聚合物微球是未有磁性纳米粒子掺杂的聚合物。2.根据权利要求1所述基于双聚合物微球的光纤传感器，其特征在于，所述锥形光纤的锥形结构区包括锥腰区和位于锥腰区两端的两个锥形过渡区；优选地，所述锥腰区的横截面直径为0
‑
25μm，所述锥形过渡区的长度为0
‑
15mm。3.根据权利要求1或2所述基于双聚合物微球的光纤传感器，其特征在于，所述磁性聚合物微球和非磁性聚合物微球之间的光纤长度为0
‑
1mm。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述基于双聚合物微球的光纤传感器，其特征在于，所述磁性聚合物微球是通过将磁性纳米粒子与聚合物混匀后固化得到；优选地，所述磁性聚合物微球是通过将磁流体与光刻胶混匀后光照固化得到；所述非磁性聚合物微球是通过将聚合物固化得到；优选地，所述非磁性聚合物微球是通过将光刻胶光照固化后得到。5.根据权利要求4所述基于双聚合物微球的光纤传感器，其特征在于，所述磁流体为包含Fe3O4纳米粒子、表面活性剂和溶剂的胶体溶液，所述光刻胶为光刻胶GM1070；优选地，所述磁流体与光刻胶的体积比为1:1
‑
3。6.根据权利要求1
‑
5任一项所述基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：李敏，丛爱民，李晓伟，
申请(专利权)人：赤峰学院，
类型：发明
国别省市：