CN104236602A - 一种可同时测量温度和湿度的全光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可同时测量温度和湿度的全光纤传感器，其特征是：全光纤传感器是将输入单模光纤与光敏光纤的一端通过错位熔接的方式进行连接，在光敏光纤的另一端端面上设置有反射银膜，在光敏光纤的纤芯中写入有光纤布拉格光栅；以输入单模光纤和端面镀有反射银膜的光敏光纤的错位熔接构成全光纤迈克尔逊模间干涉仪作为第一个传感探头；在光敏光纤的纤芯中写入光纤布拉格光栅构成第二个传感探头；构成全光纤迈克尔逊模间干涉仪与光纤布拉格光栅集成于一体的全光纤传感器。本发明将两个不同结构的传感探头集成于一体，实现了真正意义上对同一点的温度和湿度的同时测量。

Description

一种可同时测量温度和湿度的全光纤传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤传感器，更具体地说，是指一种用于同时测量温度和湿度的全光纤传感器。

背景技术

随着工农业的发展和科技水平的不断进步，在国防科技、航空航天、食品生产、生物制药、仓储及农业等领域，对环境的温度和湿度监测都有严格的要求，对传感器的环境适应性、测量范围。响应速度及测量精度要求也越来越高。光纤传感器由于尺寸小，耐高温，抗腐蚀，抗电磁干扰，因此可以克服传统的电学传感器存在的不能在高温高湿、严重污染和强磁场干扰的环境下工作的不足。

现有技术中，光纤温度传感器主要有光纤布拉格光栅温度传感器、光纤荧光温度传感器、干涉型光纤温度传感器和基于瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射的分布式光纤温度传感器。光纤湿度传感器主要有倏逝波型光纤湿度传感器，荧光光谱吸收型光纤湿度传感器，光纤光栅型光纤湿度传感器以及干涉型光纤湿度传感器。

现有技术中常规使用的光纤传感器只是对温度或者湿度中的一个物理量进行测量，无法实现同时检测，已有公开号为CN103528609A的光纤多参量传感器，其是为实现温度和湿度同时测量，但是，由于其采用级联结构透射谱检测的方式，传感探头的长度较长，一般要达到30mm以上，由此造成其对于温度和湿度的检测并不是真正意义上的对于同一点的测量，同时，因其采用聚合物材料作为湿度增敏材料并不适于在高于200℃的环境下测量。而实际应用中，很多情况下需要在高温的环境下对同一点的温度和湿度进行同时监测。迄今还没有关于针对同一点同时进行测量温度和湿度的测量的全光纤传感器的公开报导。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种可同时测量温度和湿度的全光纤传感器，以其实现在针对同一点同时进行温度和湿度的监测，并能适应200摄氏度以上的高温环境测量。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明可同时测量温度和湿度的全光纤传感器的结构特点是：所述全光纤传感器是将输入单模光纤与光敏光纤的一端通过错位熔接的方式进行连接，在所述光敏光纤的另一端端面上设置有反射银膜，在所述光敏光纤的纤芯中写入有光纤布拉格光栅；以所述输入单模光纤和端面镀有反射银膜的光敏光纤的错位熔接构成全光纤迈克尔逊模间干涉仪作为第一个传感探头；以所述在光敏光纤的纤芯中写入光纤布拉格光栅形成第二个传感探头；构成将全光纤迈克尔逊模间干涉仪与光纤布拉格光栅集于一体的全光纤传感器，所述光敏光纤作为第一个传感探头和第二个传感探头的共用传感区。

本发明可同时测量温度和湿度的全光纤传感器的结构特点也在于：

所述反射银膜是采用化学镀银的方法形成在所述光敏光纤的端面。

在所述光敏光纤的表面沉积有纳米氧化锌颗粒层。

在所述光敏光纤的表面沉积纳米氧化锌颗粒层的方法是：将去除涂覆层的光敏光纤浸入至水热法制备的纳米氧化锌溶液中两小时后取出，通过烘干去水使得纳米氧化锌颗粒沉积在光敏光纤的包层表面，形成厚度为100-200nm纳米氧化锌颗粒层。

所述输入单模光纤与光敏光纤之间的错位熔接量为6.8um，所述光敏光纤的长度10mm。

由于第一个传感探头和第二个传感探头均对温度和湿度具有不同的敏感性，因此可以通过测量计算出相应温度和湿度的变化。与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明将两个不同结构的传感探头集成于一体，实现了真正意义上对同一点的温度和湿度的同时测量，其传感探头尺寸小，成本低，便于安装。

2、本发明通过在光敏光纤表面生长纳米氧化锌颗粒，可以大大增强传感器对于湿度的测量灵敏度，并实现更高温度环境下的测量。

3、本发明中输入单模光纤可以采用标准通信单模光纤，因此与现有的光纤通信系统兼容性好。

附图说明

图1为本发明的基本结构示意图；

图2为以本发明构成监测系统示意图；

图3为本发明中传感器的谐振滤波光谱图。

图中标号：1输入单模光纤，2光敏光纤，3反射银膜，4纳米氧化锌颗粒层，5宽带光源，6光纤环形器，7光谱分析仪。

具体实施方式

参见图1，本实施例中可同时测量温度和湿度的全光纤传感器的结构形式是：将输入单模光纤1与光敏光纤2的一端通过错位熔接的方式进行连接，在光敏光纤2的另一端端面上设置有反射银膜3，在光敏光纤2的纤芯中写入有光纤布拉格光栅；以输入单模光纤1和端面镀有反射银膜3的光敏光纤2的错位熔接构成全光纤迈克尔逊模间干涉仪作为第一个传感探头；以在光敏光纤2的纤芯中写入光纤布拉格光栅形成第二个传感探头；构成将全光纤迈克尔逊模间干涉仪与光纤布拉格光栅集于一体的全光纤传感器，光敏光纤2作为第一个传感探头和第二个传感探头的共用传感区。

具体实施中，相应的结构设置包括：

反射银膜3是采用化学镀银的方法形成在光敏光纤2的端面，化学镀银的方法为现有技术中的常规方法，包括首先对切割后的光敏光纤2的端面进行粗化、敏化和活化处理，然后放入按体积比为2:1配置的银氨溶液和还原剂的混合溶液中，约十五分钟反应完成时，在光敏光纤的端面生成厚度约为150nm反射银膜3。

为了以提高传感器对湿度的灵敏性，本实施例中将光敏光纤2的表面光纤涂覆层清除干净，代替采用沉积的方法以纳米氧化锌颗粒为材质形成纳米氧化锌颗粒层4。具体方式是：将去除涂覆层的光敏光纤浸入至水热法制备的纳米氧化锌溶液中两小时后取出，通过烘干去水使得纳米氧化锌颗粒沉积在光敏光纤的包层表面，形成厚度为100-200nm纳米氧化锌颗粒层4。相比于公开号为CN103528609A专利文献中记载的使用聚丙烯酰胺作为湿度增敏材料，本实施例中纳米氧化锌颗粒，可以在200摄氏度以上的环境下实现温度和湿度的同时测量。

本实施例中，设置输入单模光纤1与光敏光纤2之间的错位熔接量为6.8um，光敏光纤2的长度10mm。

测量原理：

由于在输入单模光纤1和光敏光纤2之间的错位熔接，使得光敏光纤2除了在纤芯中有芯模传输外，在包层中也激发出了包层模，这两种模式分别在光纤纤芯和包层中传输，在到达传光敏光纤2的另一端时，由于反射银膜3的作用将被反射回来，在错位熔接位置处重新耦合发生干涉，显然，这一结构即为全光纤迈克尔逊模间干涉仪的形式，干涉仪也具有谐振滤波的作用；

本实施例中利用紫外激光器在光敏光纤2中写入光纤布拉格光栅，形成第二个传感探头，第二传感器探头也同样具有反射谐振滤波的作用；当所测量环境的温度或湿度发生变化时，第一传感器探头和第二传感器探头的滤波光谱会发生移动，由于第一传感器探头和第二传感器探头对温度和湿度具有不同的灵敏度，因此当外界温度和湿度变化为ΔT和ΔRH，两个传感探头滤波光谱中特征波长将会分别变化Δλ₁，Δλ₂。根据波长变化与温、湿度变化的关系式：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{K}_{{\mathrm{\λ}}_1}^T& K_{{\mathrm{\λ}}_1}^{\mathrm{RH}}\\ K_{{\mathrm{\λ}}_2}^T& K_{{\mathrm{\λ}}_2}^{\mathrm{RH}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔT}\\ \mathrm{\ΔRH}\end{array}\right]$

其中和为两个传感探头的温度灵敏度，和为两个传感探头的湿度灵敏度，就可以计算出温度和湿度的变化量，实现温度和湿度的同时测量。

本实施例中光纤传感器的长度仅为10mm，基本实现了同一点的测量。

如图2所示，以本实施例构成监测系统的光路设置为：宽带光源5经由光纤环形器6输入端A脚引入，经光纤环形器6的反射端B脚的传输，由输入单模光纤1进入光纤传感器，，由于输入单模光纤1与光敏光纤2之间的错位熔接，使得光敏光纤2除了在纤芯中有芯模传输外，在包层中也激发出了包层模，使得分别在纤芯和包层中进行传输，在到达光敏光纤2的另一端时，由于反射银膜3的作用将会被反射回来，以致于在错位熔接点重新耦合发生干涉，实现干涉滤波；同时光敏光纤2纤芯中写入的光纤布拉格光栅也具有反射谐振滤波作用，因此经过光纤传感器滤波过后的光被反射回来再进入光纤环形器6的反射端B，并最终在光纤环形器6的输出端C脚输出至光谱分析仪7。

由于全光纤迈克尔逊模间干涉仪和光纤布拉格光栅对于温度和湿度具有不同的响应灵敏度，利用光谱分析仪7测量出第一传感探头和第二传感探头滤波光谱中的特征波长，如图3所示，λ₁为全光纤迈克尔逊模间干涉仪的特征波长，λ₂为光纤布拉格光栅的特征波长；特征波长会随温度和湿度而变化，测量出特征波长的变化量Δλ₁和Δλ₂就可以同时得到温度和湿度的变化量ΔT和ΔRH。

Claims (5)

1.一种可同时测量温度和湿度的全光纤传感器，其特征是：所述全光纤传感器是将输入单模光纤(1)与光敏光纤(2)的一端通过错位熔接的方式进行连接，在所述光敏光纤(2)的另一端端面上设置有反射银膜(3)，在所述光敏光纤(2)的纤芯中写入有光纤布拉格光栅；以所述输入单模光纤(1)和端面镀有反射银膜(3)的光敏光纤(2)的错位熔接构成全光纤迈克尔逊模间干涉仪作为第一个传感探头；以所述在光敏光纤(2)的纤芯中写入光纤布拉格光栅形成第二个传感探头；构成将全光纤迈克尔逊模间干涉仪与光纤布拉格光栅集于一体的全光纤传感器，所述光敏光纤(2)作为第一个传感探头和第二个传感探头的共用传感区。

2.根据权利要求1所述的可同时测量温度和湿度的全光纤传感器，其特征是：所述反射银膜(3)是采用化学镀银的方法形成在所述光敏光纤(2)的端面。

3.根据权利要求1或2所述的可同时测量温度和湿度的全光纤传感器，其特征是：在所述光敏光纤(2)的表面沉积有纳米氧化锌颗粒层(4)。

4.根据权利要求3所述的可同时测量温度和湿度的全光纤传感器，其特征是：在所述光敏光纤(2)的表面沉积纳米氧化锌颗粒层(4)的方法是：将去除涂覆层的光敏光纤浸入至水热法制备的纳米氧化锌溶液中两小时后取出，通过烘干去水使得纳米氧化锌颗粒沉积在光敏光纤的包层表面，形成厚度为100-200nm纳米氧化锌颗粒层(4)。

5.根据权利要求1所述的可同时测量温度和湿度的全光纤传感器，其特征是：所述输入单模光纤(1)与光敏光纤(2)之间的错位熔接量为6.8um，所述光敏光纤(2)的长度10mm。