CN103852428A

CN103852428A - 一种基于多模纤芯和光纤光栅的湿度传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN103852428A
Application number: CN201410089244.1A
Authority: CN
Inventors: 邵敏; 乔学光; 李利品; 贾振安; 傅海威; 李辉栋
Original assignee: Xian Shiyou University
Current assignee: Xian Shiyou University
Priority date: 2014-03-12
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2014-06-11

Abstract

一种基于多模纤芯和光纤光栅的湿度传感器，包括有一光纤光栅，在光纤光栅与单模光纤之间熔接有多模光纤纤芯；其制备方法包括以下步骤：1）将一段多模光纤剥除涂覆层，用酒精擦拭干净，放入浓度为45%的氢氟酸中对光纤的包层进行去除；2）腐蚀后，取出多模纤芯，用蒸馏水多次反复清洗以去除残留余酸，得到多模纤芯；3）将多模纤芯的两端切除平整，用光纤熔接机把多模纤芯熔接在光纤光栅与单模光纤之间，形成单模-多模纤芯-单模光纤结构与光纤光栅的级联；外界的湿度发生变化时，光谱发生变化，使光纤光栅纤芯基模能量发生变化；外界的温度发生变化时，光纤光栅纤芯基模的波长发生变化，具有制作简单、测量精度高、可同时测量温度和湿度的优点。

Description

一种基于多模纤芯和光纤光栅的湿度传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于光纤光栅传感器技术领域，具体涉及一种基于多模纤芯和光纤光栅的湿度传感器,能够同时测定湿度和温度。

背景技术

目前，基于光纤传感原理的湿度传感器所具有的不受电磁干扰、耐腐蚀、稳定性好、灵敏度高、便于组网和传感集成化等特点，在湿度传感器的研究开发中，已引起人们的广泛关注。目前已研制开发出了光纤光栅型、干涉型、光强调制型光纤湿度传感器。光纤光栅(Fiber Bragg Grating)由于其结构紧凑、波长调制、便于组网和复用，是光纤型湿度传感器研究的重点。由于光纤光栅自身对湿度并不敏感，所以基于光纤光栅的湿度传感器大多是在光纤光栅上镀制湿敏膜，如水凝胶、聚酰亚胺、SiO₂纳米薄膜、聚乙烯等。文献1[Bobo Gu, et al，Optical fiber relative humidity sensor based on FBG incorporated thin-core fiber modal interferometer, Optics Express,2011,19(5):4140-4146]在一段单模光纤中嵌入一只细芯光纤上写入的FBG，并涂覆聚乙烯湿敏膜，在20-90%RH湿度范围内测量灵敏度为84.3pm/%RH。文献2 [Nigel A David，et al, Parametric study of a polymer-coated fibre-optic humidity sensor, Measurement Science and Technology,2012,23(3):035103] 在化学腐蚀光纤光栅直径后再涂覆玻璃增强型聚酰亚胺，传感器的灵敏度提高至1.28pm/%RH。但是，这些镀膜式光纤光栅型湿度传感器的制作过程复杂、实用化程度较低，而且湿度灵敏度仍需提高。因此，难以满足实际应用的需求。并且，为了解决温度与湿度的交叉敏感问题，基于光纤光栅的湿度传感器大多采用两根光纤光栅，这在一定程度上会增加制作成本和封装难度，限制了光纤光栅湿度传感器的进一步实用化。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于多模纤芯和光纤光栅的湿度传感器，在同一温度环境下可同时测量温度与湿度、无需镀膜、测量精度高的反射式光纤光栅湿度传感器，具有制作简单、测量精度高、可实现温度与湿度的区分测量的特点。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于多模纤芯和光纤光栅的湿度传感器，包括有一光纤光栅1，在光纤光栅1与单模光纤之间熔接有多模光纤纤芯2。

所述的多模光纤纤芯2的长度为2.5～4.5cm。

一种基于多模纤芯和光纤光栅的湿度传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将一段长为2.5～4.5cm的多模光纤剥除涂覆层，用酒精擦拭干净，放入浓度为45%的氢氟酸中对光纤的包层进行去除；

2）腐蚀7～15分钟后，取出多模纤芯2，用蒸馏水多次反复清洗以去除残留余酸，得到的多模纤芯2直径为80～95um；

3）将多模纤芯2的两端切除平整，利用光纤熔接机把多模纤芯2熔接在光纤光栅1与单模光纤之间，形成单模-多模纤芯-单模光纤结构与光纤光栅的级联。

熔接时多模纤芯与光纤光栅对芯熔接，多模纤芯2与光纤光栅1的距离小于5mm。

本发明的有益效果是：

同时测量温度与湿度的传感器结构，选用在普通商用的光纤光栅前夹入一段多模纤芯，将光纤光栅与单模-多模-单模光纤结构级联。当外界环境的湿度发生变化时，空气的折射率会随之改变，多模光纤的纤芯基模和包层模的折射率会发生变化，而且湿气会渗透进光纤内部，光纤对湿气分子的吸收，也将导致纤芯基模与包层模的折射率发生变化。这些都会使得单模-多模-单模光纤结构的干涉光谱发生漂移。而光纤光栅纤芯基模的有效折射率对湿度不敏感，其中心波长会保持不变，所以单模-多模-单模光纤结构干涉光谱的变化会调制光纤光栅纤芯基模的能量，通过检测纤芯基模的能量，就可以得到环境的湿度信息。当外界环境的温度发生变化时，由于热膨胀效应，光纤的有效折射率和光栅周期发生变化，导致纤芯基模的中心波长变化，通过检测纤芯基模的波长，就可以得到环境的温度信息。本发明的优点是制作简单、测量精度高、可实现温度与湿度的区分测量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1中光纤光栅1的反射光谱图。

图3为图1的反射光谱图。

图4 为不同湿度下光纤光栅的纤芯基模反射谱图。

图5为本发明传感器的湿度响应灵敏度图。

图6为本发明传感器的温度响应光谱图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。

如图1所示，我们选用的光纤光栅1是在康宁SM28光纤上写入的光纤光栅1，光纤光栅1周期为400um，反射峰的中心波长为1553.460nm，光纤光栅1的透射谱如图2所示，其中纵坐标为归一化强度，横坐标为波长。

将一段长为35cm的多模光纤（S105/125）剥除涂覆层，用酒精擦拭干净，放入浓度为45%的氢氟酸中对光纤的包层进行去除。通过控制腐蚀时间可获得不同直径的多模纤芯，腐蚀10分钟后，取出多模纤芯2，用蒸馏水多次反复清洗以去除残留余酸，得到的多模纤芯2直径为90um。将多模纤芯2的两端切除平整，利用光纤熔接机把多模纤芯2熔接在光纤光栅1的前面，形成单模-多模纤芯-单模光纤结构与光纤光栅的级联。为了获得更好的光谱，熔接时选择对芯熔接，而且多模纤芯2与光纤光栅1的距离小于5mm。图3是单模-多模纤芯-单模光纤结构与光纤光栅1级联后的反射光谱, 纵坐标为归一化强度，横坐标为波长。从图3 可以看出在纤芯基模中心波长的左侧出现了一些新的波峰，这是由于夹入了多模纤芯而激发出的光纤光栅包层模。它们的波长比纤芯基模波长小是因为包层模的有效折射率小于纤芯基模的有效折射率。而纤芯基模的反射能量比原始光纤光栅的反射能量低是因为一部分能量转移到了包层模。

本发明的工作原理如下：

由于光纤光栅1对湿度响应不灵敏，其纤芯基模的中心波长及能量不随湿度变化而保持不变。当外界环境的湿度发生变化时，湿气会改变多模纤芯2的纤芯基模和包层模的有效折射率，所以单模-多模纤芯-单模光纤结构对湿度敏感，其干涉谱随湿度变化发生漂移。进而调制了光纤光栅纤芯基模的能量也随之发生改变。由于热膨胀效应，光纤光栅纤芯基模的波长发生漂移。通过检测光纤光栅纤芯基模的能量与波长，就可获得外界环境的湿度与温度信息。

使用时，将光纤光栅湿度传感器放置在测量环境中。如图4所示，纵坐标为归一化强度，横坐标为波长，当环境温度为20^oC时，湿度从50%RH每间隔5%RH增加至85%RH时，传感器纤芯基模的能量逐渐增加，而波长几乎保持不变。

图5中，由实验测得的传感器的湿度灵敏度为0.07dBm/%RH，线性度R²为0.997。其中纵坐标为强度，横坐标为强度。

图6中，当湿度为60%RH时，传感器在20^oC-80^oC温度范围内的温度灵敏度为0.008nm/^oC, 线性度R²为0.999，其中纵坐标为波长，横坐标为温度。

Claims

1.一种基于多模纤芯和光纤光栅的湿度传感器，其特征在于，包括有一光纤光栅（1），在光纤光栅（1）与单模光纤之间熔接有多模光纤纤芯（2）。

2.根据权利要求1所述的一种基于多模纤芯和光纤光栅的湿度传感器，其特征在于，所述的多模光纤纤芯2的长度为2.5～4.5cm。

3.一种基于多模纤芯和光纤光栅的湿度传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3）将多模纤芯2的两端切除平整，利用光纤熔接机把多模纤芯2熔接在光纤光栅1与单模光纤的之间，形成单模-多模纤芯-单模光纤结构与光纤光栅的级联。

4.根据权利要求3所述的一种基于多模纤芯和光纤光栅的湿度传感器的制备方法，其特征在于，熔接时多模纤芯与光纤光栅对芯熔接，多模纤芯2与光纤光栅1的距离小于5mm。