CN102768200A - 一种湿度检测装置上用的光纤湿度传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种湿度检测装置上用的光纤湿度传感器，该湿度检测装置中包括有宽带光源、光纤耦合器、波长解调仪、单模光纤和湿度传感器，所述的宽带光源和波长解调仪分别与光纤耦合器连接，该光纤耦合器通过单模光纤连接湿度传感器，所述的湿度传感器包括有熔接在所述单模光纤端部的实心光子晶体光纤，该实心光子晶体光纤的尾端空气孔坍塌融为球形，该实心光子晶体光纤的表面涂覆有作为湿度敏感性材料的聚乙烯醇涂层；其制作方法是先将实心光子晶体光纤和单模光纤熔接后制作传感头，然后在实心光子晶体光纤上涂覆湿度敏感材料涂层。本发明的湿度传感器无需封装、结构简单、本质安全、灵敏度高，其制作工艺简单方便，且制作成本低。

Description

一种湿度检测装置上用的光纤湿度传感器及其制作方法

技术领域

    本发明涉及光学领域，特别涉及到一种用于环境湿度检测装置上的光纤湿度传感器以及其制作方法。

背景技术

湿度与温度一样，是人们可以感知的，广义上讲是定义水分含量的物理量，是环境参量中较难检测的物理量之一。这是因为测量湿度要比测量温度复杂的多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素（大气压强、温度）的影响。然而在各种工业、农业、生物和医学中对湿度进行精确测量、检测和控制具有重要的意义。用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法，早已无法满足现代科技发展的需要，传统的电感电容湿度传感器易受电磁干扰，不适合工作在高电压和强电场等恶劣环境中。近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步，同时随着光纤技术和光集成技术的发展, 光学湿度传感器受到极大关注并被广泛应用。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度/温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。

光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种新型传感技术。与传统电子传感器相比，光纤传感器拥有耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰、尺寸小、分布式测量等独特优点，在工业、军事和科研等领域受到越来越多的重视，尤其是在信息科学技术领域表现出越来越强大的生命力，随着新型学科的交叉渗透，它将会有更广阔的应用前景。

光纤及光纤光栅湿度传感器，是以光纤为传感介质，光纤本身对环境湿度不敏感，用湿度敏感性复合材料在光纤表面形成均匀涂层，其传感原理在于湿度敏感性材料能与湿度发生有关的物理效应或化学效应，引起光在光纤中传输信号的变化。目前已报道的光纤及光纤光栅湿度传感器测量存在灵敏度不高、尺寸大以及光栅制作工艺复杂的缺点，同时光纤光栅湿度传感器易受外界环境温度、折射率、弯曲等条件的影响，在湿度测量过程中极易引入无法预见的干扰，因此对测量条件要求非常高。

发明内容

    本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种用于环境湿度检测装置上的光纤湿度传感器以及其制作方法。本发明的湿度传感器要求要具有体积小、灵敏度高的特点，并且制作工艺简单方便，易于普遍使用。

为了达到上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：

一种湿度检测装置上用的光纤湿度传感器，该湿度检测装置中包括有宽带光源、光纤耦合器、波长解调仪、单模光纤和湿度传感器，所述的宽带光源和波长解调仪分别与光纤耦合器连接，该光纤耦合器通过单模光纤连接湿度传感器，其特征在于，所述的湿度传感器包括有熔接在所述单模光纤端部的实心光子晶体光纤，该实心光子晶体光纤的尾端空气孔坍塌融为球形，该实心光子晶体光纤的表面涂覆有作为湿度敏感性材料的聚乙烯醇涂层。

在本发明的湿度检测装置上用的光纤湿度传感器中，所述的湿度传感器通过3dB光纤耦合器分别与宽带光源和波长解调仪相连接。

在本发明的湿度检测装置上用的光纤湿度传感器中，所述实心光子晶体光纤的长度为0.5mm～2mm。

一种制作所述湿度检测装置上用的光纤湿度传感器的方法，其特征在于，该方法包括如下具体步骤：

第一步，取一段具有石英-空气基质包层的实心光子晶体光纤，剥掉涂覆层，用光纤熔接机熔接该实心光子晶体光纤和单模光纤，熔接时使实心光子晶体光纤的空气孔在单模光纤熔接点附近全部坍塌；

第二步，将实心光子晶体光纤的大部分剪掉，使得实心光子晶体光纤的长度保持在0.5mm～2mm，再次利用熔接机将实心光子晶体光纤的尾端空气孔坍塌熔成为球形；

第三步，将熔好的实心光子晶体光纤在去离子水中清洗8～12分钟，用紫外灯烘干；

第四步，取聚乙烯醇颗粒溶解在水中，在室温下搅拌至完全溶解形成5%的聚乙烯醇溶液，将第三步的实心光子晶体光纤在所述5%的聚乙烯醇溶液中浸泡40分钟，形成聚乙烯醇涂层；

第五步，第四步完成的实心光子晶体光纤作为湿度传感头放在恒温箱温度40℃保持1小时使实心光子晶体光纤涂层中水分蒸发，完成湿度传感器的设计制作。

基于上述技术方案，本发明所述的湿度检测装置上用的光纤湿度传感器及其制作工艺与现有技术相比具有如下技术优点：

1.本发明的湿度传感器中实心光子晶体光纤与普通单模光纤熔接后致使熔接区域空气孔坍塌，利用光纤熔接机将另一开放端光纤空气孔坍塌，通过调节光纤熔接机的参数就可完成制作，因此制作工艺结构简单方便，易于实践推广使用。

2.在本发明的湿度传感器中光子晶体光纤的长度约0.5mm-2mm，该器件结构紧凑，体积小，制作成本低等优点，可广泛应用于各种湿度监测领域。

3. 在本发明的湿度传感器中光子晶体光纤特殊的光纤结构使其具有温度不敏感特性，成功消除了湿度检测过程中温度的串扰。

4. 在本发明的湿度传感器件利用5%的聚乙烯醇溶液具有良好的湿度敏感特性，随外界环境湿度的变化，聚乙烯醇的折射率有着相应的变化。

附图说明

图1是含有本发明湿度传感器的湿度检测装置的结构连接示意图。

图2是本发明湿度检测装置上用的光纤湿度传感器的结构剖视图。

图3是本发明湿度传感器中实体光子晶体光纤的端面结构示意图。

具体实施方式

下面我们结合附图和具体的实施例来对本发明的湿度检测装置上用的湿度传感器及其制作方法做进一步的详细阐述，以求更为清楚明了地理解本发明的结构特征和制作工艺，但不能以此来限制本发明的保护范围。

实心光子晶体光纤作为一种新型的特殊结构的光纤，其包层中沿轴向周期性排列着波长量级的空气孔，具有二维光子晶体结构，打破了传统光纤光学的束缚。实心光子晶体光纤特殊的光纤结构，使其具有普通光纤无法比拟的优点，光子晶体光纤中存在着纤芯基模、包层模及混合模，且外界物理参数的变化对不同模式的影响不同，可以利用这一特性激发不同的模式，形成模式干涉，实现外界物理参数的测量。

本发明的湿度检测装置中包括有宽带光源1、光纤耦合器2、波长解调仪3、单模光纤5和湿度传感器4，所述的宽带光源1和波长解调仪3分别与光纤耦合器2连接，该光纤耦合器2通过单模光纤5连接湿度传感器4。实践中，湿度传感器4通过3dB光纤耦合器2分别与宽带光源1和波长解调仪3相连接。图1中宽带光源1与3dB光纤耦合器2的一端相连，光纤耦合器2的另一端与波长解调仪3相连，光纤耦合器2的另一端连接到单模光纤5的一端，经过单模光纤5的另一端与实心光子晶体光纤做成的湿度传感器4熔接。

作为本发明专利核心的湿度传感器包括有熔接在所述单模光纤端部的实心光子晶体光纤，该实心光子晶体光纤的尾端空气孔坍塌融为球形，该实心光子晶体光纤的表面涂覆有作为湿度敏感性材料的聚乙烯醇涂层。在一个实施例中选用1.37mm长的实心光子晶体光纤涂覆一层聚乙烯醇涂覆层6作为传感头，示意图如图2所示，实心光子晶体光纤端面结构如图3，实心光子晶体光纤包层中沿轴向周期性排列着波长量级的空气孔，具有二维光子晶体结构。

本发明在实心光子晶体光纤涂覆一层湿敏材料——聚乙烯醇作为湿度传感头，来感应外界环境湿度的变化。当外界湿度变化时，湿敏材料折射率发生相应变化，影响光子晶体光纤包层模的传输，从而引起光子晶体光纤模式干涉的波长发生变化。实心光子晶体光纤传感器的温度不敏感特性，提高了湿度测量的准确性。本发明的湿度传感器就是利用实心光子晶体光纤自身独特的结构，做出了无需封装、结构简单、本质安全、灵敏度高、低成本的微型光子晶体光纤湿度传感器。

入射光经单模光纤入射到光子晶体光纤，熔接点附近由于空气孔坍塌，单模光纤中纤芯模一部分沿光子晶体光纤纤芯传输，一部分激发到包层模传输，然后包层模和纤芯模在光子晶体光纤尾部发生耦合回到光子晶体光纤纤芯中传输，在光子晶体光纤传输过程中，包层模和纤芯基模就会产生相位差，模式干涉的传输光强可表示为：

式中

和

分别是包层和纤芯中传输能量，

是纤芯

与包层

的有效折射率差，L为光子晶体光纤的长度，λ为传输波长。

在光子晶体光纤表面涂覆一层湿敏材料，当外界环境湿度发生变化时引起湿敏涂层折射率的变化，光纤包层模有效折射率易受光纤外界环境折射率的影响而变化，从而纤芯与包层模有效折射率差改变，导致模式干涉峰发生波长漂移，通过检测波长漂移来解调湿度变化的信息。

结合附图2对本发明中光纤湿度传感头的具体设计如下：

第一步，取一段具有石英-空气基质包层的实芯光子晶体光纤，剥掉涂覆层，用DCM Fusion Splicer 39型光纤熔接机手动熔接光子晶体光纤和普通单模光纤，调节熔接机的各项参数：Fusion time-0042 sec，Prefusion time-0.02，Arc power-027step，再附加一次放电，使光子晶体光纤空气孔在与单模光纤熔接点附近全部坍塌。

第二步，将熔接到一起的实心光子晶体光纤大部分剪掉，再次利用熔接机将光子晶体光纤的尾端空气孔坍塌融成球形，最后的结构如图2所示。

第三步，将熔接好的光子晶体光纤在去离子水中清洗十分钟，用紫外灯烘干。

第四步，选用聚乙烯醇颗粒溶解在水中，在室温下搅拌直到完全溶解，形成5%的溶液。聚乙烯醇有好的粘附性、湿度敏感性和热稳定性，当溶液浓度达到2-3%时即可形成溶胶-凝胶状态。将光子晶体光纤放在5%的聚乙烯醇溶液中保持40分钟后取出。

第五步，所述的实心光子晶体光纤湿度传感头放在恒温箱温度40 °C保持1小时使光纤涂层中水分蒸发，完成湿度传感器的设计制作。

本发明的湿度检测装置能够实现湿度检测、提高精度的关键技术为：

实心光子晶体光纤纤芯由纯石英构成，包层中分布着沿径向周期性排列、沿光纤轴向伸展的波长量级的空气孔，在与单模光纤熔接过程中，手动调节熔接机的参数，致使光子晶体光纤两端空气孔坍塌，光在纤芯和包层传输过程中产生相位差，光子晶体光纤的纤芯基模与包层模发生耦合，形成一种简单稳定的模式干涉。在光子晶体光纤表面涂覆一层聚乙烯醇，作为传感头来检测外界环境湿度的变化。利用实心光子晶体光纤自身结构解决了一般湿度传感器的制作工艺复杂等问题，该结构紧凑，操作简单。

当外界环境湿度变化时，涂层聚乙烯醇的折射率发生相应变化，影响光子晶体光纤包层模的传输，从而引起光子晶体光纤模式干涉波长发生飘移，实现了湿度的检测。同时光子晶体光纤特殊的光纤结构使其具有普通单模光纤无法比拟的优点，光子晶体光纤传感器的温度不敏感特性，提高了湿度传感器的准确度。

Claims (4)

1.一种湿度检测装置上用的光纤湿度传感器，该光纤湿度检测装置中包括有宽带光源、光纤耦合器、波长解调仪、单模光纤和湿度传感器，所述的宽带光源和波长解调仪分别与光纤耦合器连接，该光纤耦合器通过单模光纤连接湿度传感器，其特征在于，所述的湿度传感器包括有熔接在所述单模光纤端部的实心光子晶体光纤，该实心光子晶体光纤的尾端空气孔坍塌融为球形，该实心光子晶体光纤的表面涂覆有作为湿度敏感性材料的聚乙烯醇涂层。

2.根据权利要求1所述的一种湿度检测装置上用的光纤湿度传感器，其特征在于，所述的湿度传感器通过3dB光纤耦合器分别与宽带光源和波长解调仪相连接。

3.根据权利要求1所述的一种湿度检测装置上用的光纤湿度传感器，其特征在于，所述实心光子晶体光纤的长度为0.5mm～2mm。

4.根据权利要求1所述的一种湿度检测装置上用的光纤湿度传感器，其特征在于，该方法包括如下具体步骤：

第一步，取一段具有石英-空气基质包层的实心光子晶体光纤，剥掉涂覆层，用光纤熔接机熔接该实心光子晶体光纤和单模光纤，熔接时使实心光子晶体光纤的空气孔在于单模光纤熔接点附近全部坍塌；

第二步，将实心光子晶体光纤的大部分剪掉，使得实心光子晶体光纤的长度保持在0.5mm～2mm，再次利用熔接机将实心光子晶体光纤的尾端空气孔坍塌熔成为球形；

第三步，将熔好的实心光子晶体光纤在去离子水中清洗8～12分钟，用紫外灯烘干；

第四步，取聚乙烯醇颗粒溶解在水中，在室温下搅拌至完全溶解形成5%的聚乙烯醇溶液，将第三步的实心光子晶体光纤在所述5%的聚乙烯醇溶液中浸泡40分钟，形成聚乙烯醇涂层；

第五步，第四步完成的实心光子晶体光纤作为湿度传感头放在恒温箱温度40℃保持1小时使实心光子晶体光纤涂层中水分蒸发，完成湿度传感器的设计制作。

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