CN105259142A - 一种基于锥腰放大结构涂覆羧甲基纤维素膜的湿度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于锥腰放大结构(Waist-Enlarged？Fiber？Bitaper？Structure)涂覆羧甲基纤维素膜的湿度传感器，其特征在于：由入射光纤(1)、第一个锥腰放大结构(2)、连接光纤(3)、第二个锥腰放大结构(4)、出射光纤(5)、羧甲基纤维素膜(6)组成；第一个锥腰放大结构(2)的两端分别与入射光纤(1)和连接光纤(3)相连接，第二个锥腰放大结构(4)的两端分别与连接光纤(3)和出射光纤(5)相连接，两个锥腰放大结构(2)和(4)由一段连接光纤(3)连接；两个锥腰放大结构(2)和(4)和连接光纤(3)构成全光纤马赫曾德干涉仪；连接光纤(3)表面镀了羧甲基纤维素膜(6)；本发明灵敏度高、制作简单、成本低、结构微小，可以应用于各类实际工程中。

Description

一种基于锥腰放大结构涂覆羧甲基纤维素膜的湿度传感器

技术领域

本发明提供了一种基于锥腰放大结构涂覆羧甲基纤维素膜的湿度传感器，属于光纤传感技术领域。

背景技术

马赫曾德干涉仪广泛应用于传感领域中。它是运用双光束干涉原理制作而成的。传统的马赫曾德干涉仪是由单色光激光器、两个耦合器，两根普通的单模光纤和光谱仪组成。由激光器发出的相干光，通过一个耦合器分别进入两根长度相同的单模光纤中，一根光纤被放到测试环境中作为传感器来感受某一物理量的变化，另一根光纤作为参考臂被固定好，然后通过另一个耦合器使得传感臂和参考臂中不同光程差的两束光产生干涉，最后通过观测光谱仪中干涉信号的变化来监测被测物理量的变化。目前新型的全光纤马赫曾德干涉仪被提出来，这种干涉仪的干涉臂只有一根光纤。在光纤上进行一些加工后形成的拉锥、锥腰放大、错位、花生等结构可以作为耦合器使原本沿着纤芯传输的光一部分进入包层，下一个类似的耦合器重新将光耦合到纤芯中与纤芯中传输的光发生干涉，这就是马赫曾德干涉仪的原理。这种全光纤的马赫曾德干涉仪具有灵敏度高、制作简单、成本低、结构微小等优点。

湿度测量的原理是在传感器的表面结合湿敏材料，外界环境湿度的改变影响了湿敏膜的一部分属性，如折射率，从而影响包层的折射率，干涉光谱会随之改变。羧甲基纤维素属阴离子型纤维素醚类，无嗅无味，无毒；易溶于冷水或热水，形成具有一定粘度的透明溶液。羧甲基纤维素作为一种新型的湿敏材料，在制备溶液的过程中，按照质量比为2％将羧甲基纤维素粉末与蒸馏水混合搅拌。通过改变湿敏膜的涂覆厚度来提高传感器的灵敏度。随着湿度的改变，湿敏膜的折射率发生改变，从而改变包层的有效折射率，这样纤芯和包层的有效折射率差发生改变，从而引起干涉光谱的变化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于锥腰放大结构涂覆羧甲基纤维素膜的湿度传感器。该装置能够将待测相对湿度的变化量转化为探测信号的强度漂移量。具有结构简单、成本低、结构微小、在高湿度范围内灵敏度高等特点。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于锥腰放大结构涂覆羧甲基纤维素膜的湿度传感器，其特征在于：由入射光纤(1)、第一个锥腰放大结构(2)、连接光纤(3)、第二个锥腰放大结构(4)、出射光纤(5)、羧甲基纤维素膜(6)组成；第一个锥腰放大结构(2)的两端分别与入射光纤(1)和连接光纤(3)相连接，第二个锥腰放大结构(4)的两端分别与连接光纤(3)和出射光纤(5)相连接，两个锥腰放大结构(2)和(4)由一段连接光纤(3)连接；两个锥腰放大结构(2)和(4)和连接光纤(3)构成全光纤马赫曾德干涉仪；连接光纤(3)表面镀了羧甲基纤维素膜(6)。

所述的一种基于锥腰放大结构涂覆羧甲基纤维素膜的湿度传感器，其特征在于：入射光纤(1)、出射光纤(5)和连接光纤(3)均采用G.652单模光纤，入射光纤(1)和出射光纤(5)长度为20～40cm，连接光纤(3)长度为15～30mm。

所述的一种基于锥腰放大结构涂覆羧甲基纤维素膜的湿度传感器，其特征在于：锥腰放大结构(2)和(4)的光纤均采用G.652单模光纤，长度为350～400um，锥腰放大结构(2)和(4)的直径为140um～170um。

所述的一种基于锥腰放大结构涂覆羧甲基纤维素膜的湿度传感器，其特征在于：羧甲基纤维素膜(6)每层的厚度为2.2um。

本发明的工作原理是：当带宽光源发出的光经过入射光纤进入第一个锥腰放大结构时，包层模式被激发，一部分光将耦合进入包层，另一部分光将继续沿着纤芯传播，当到达第二个锥腰放大结构时，在包层中传输的光将与在纤芯中传输的光发生干涉，最后经过传出光纤到达光谱仪。这个马赫曾德干涉仪透射强度表示为

其中I₁和I₂分别是包层模和纤芯模的强度，是初始相位，是纤芯模和包层模的相位差。

其中Δn_eff是纤芯模和包层模的有效折射率差，L是两个锥腰放大结构中间的干涉长度，λ是工作波长。当使用该传感器对湿度进行测量时，包层的外界折射率随着外界湿度的改变而改变，从而使得Δn_eff和发生改变。根据公式(1)可知外界湿度的改变导致干涉光谱强度的改变，通过监测干涉光谱强度漂移量可以还原待测信号。

本发明的有益效果是：该湿度传感器是基于两个级联锥腰放大结构的马赫曾德干涉仪制作而成的，两个锥腰放大结构参数基本相同。第一个锥腰放大结构使得输入光信号一部分仍沿着纤芯传输，另一部分进入包层沿着包层传输；第二个锥腰放大结构使得在包层中传输的光与纤芯中传输的光发生干涉。当改变传感器的外界湿度时，对应的干涉光谱将会漂移。该传感器采用全光纤的马赫曾德干涉仪，稳定性更好，灵敏度更高。

附图说明

图1是本发明的基于锥腰放大结构涂覆羧甲基纤维素膜的湿度传感器示意图；

图2是本发明的涂覆湿敏膜前后传感器的干涉光谱变化实验图；

图3是本发明的在不同湿度情况下涂覆三层湿敏膜的传感器的干涉光谱变化实验图；

图4是本发明的涂覆三层湿敏膜的传感器的相对湿度灵敏度拟合图；

具体实施方式

下面结合附图及实施实例对本发明作进一步描述：

参见附图1，一种基于锥腰放大结构涂覆羧甲基纤维素膜的湿度传感器，其特征在于：由入射光纤(1)、第一个锥腰放大结构(2)、连接光纤(3)、第二个锥腰放大结构(4)、出射光纤(5)、羧甲基纤维素膜(6)组成；第一个锥腰放大结构(2)的两端分别与入射光纤(1)和连接光纤(3)相连接，第二个锥腰放大结构(4)的两端分别与连接光纤(3)和出射光纤(5)相连接，两个锥腰放大结构(2)和(4)由一段连接光纤(3)连接；两个锥腰放大结构(2)和(4)和连接光纤(3)构成全光纤马赫曾德干涉仪；连接光纤(3)表面镀了羧甲基纤维素膜(6)。

入射光纤(1)、出射光纤(5)和连接光纤(3)均采用G.652单模光纤，入射光纤(1)和出射光纤(5)长度为20～40cm，连接光纤(3)长度为15～30mm。锥腰放大结构(2)和(4)的光纤均采用G.652单模光纤，长度为350～400um，锥腰放大结构(2)和(4)的直径为140um～170um。羧甲基纤维素膜(6)的制备过程如下：按照2％的质量比将羧甲基纤维素与蒸馏水混合，搅拌均匀后放在磁力搅拌器上，在室温条件下搅拌一小时使得羧甲基纤维素完全溶解在蒸馏水中。其镀膜方式使用浸涂法，在浸涂法镀膜的过程中，将已制备好的传感器结构浸入到湿敏材料的溶液中，15min后将其放入空气中干燥1h，每层湿敏膜的厚度为2.2um。重复上述过程可以镀不同层数的湿敏膜。图2显示了涂覆湿敏膜前后的传感器的干涉光谱变化实验图，可以看出在涂覆湿敏膜之前波长在1500～1590nm范围内该干涉仪的消光比约为18dB，当涂覆不同层数的湿敏膜时，消光比发生变化。

本发明装置的工作方式为：将湿度传感器的一端接宽带光源，另一端接光谱仪。将传感器放入到封闭的湿度箱中。当改变湿度箱中的湿度时，对应的干涉光谱强度发生变化，通过光谱仪来监测该传感器的干涉光谱的变化。图3显示了不同湿度情况下涂覆三层湿敏膜的传感器的干涉光谱变化实验图，随着相对湿度从70％增加到85％，强度变化大概10dB。图4显示了涂覆三层数湿敏膜的传感器的相对湿度灵敏度拟合图，灵敏度可以高达-0.5507dB/％RH。此外，还涂覆了四层、五层的湿敏膜，实验证实当涂覆三层湿敏膜时灵敏度最高。

Claims (4)

1.一种基于锥腰放大结构涂覆羧甲基纤维素膜的湿度传感器，其特征在于：由入射光纤(1)、第一个锥腰放大结构(2)、连接光纤(3)、第二个锥腰放大结构(4)、出射光纤(5)、羧甲基纤维素膜(6)组成；第一个锥腰放大结构(2)的两端分别与入射光纤(1)和连接光纤(3)相连接，第二个锥腰放大结构(4)的两端分别与连接光纤(3)和出射光纤(5)相连接，两个锥腰放大结构(2)和(4)由一段连接光纤(3)连接；两个锥腰放大结构(2)和(4)和连接光纤(3)构成全光纤马赫曾德干涉仪；连接光纤(3)表面镀了羧甲基纤维素膜(6)。

2.根据权利要求1所述的一种基于锥腰放大结构涂覆羧甲基纤维素膜的湿度传感器，其特征在于：入射光纤(1)、出射光纤(5)和连接光纤(3)均采用G.652单模光纤，入射光纤(1)和出射光纤(5)长度为20～40cm，连接光纤(3)长度为15～30mm。

3.根据权利要求1所述的一种基于锥腰放大结构涂覆羧甲基纤维素膜的湿度传感器，其特征在于：锥腰放大结构(2)和(4)的光纤均采用G.652单模光纤，长度为350～400um，锥腰放大结构(2)和(4)的直径为140um～170um。

4.根据权利要求1所述的一种基于锥腰放大结构涂覆羧甲基纤维素膜的湿度传感器，其特征在于：羧甲基纤维素膜(6)每层的厚度为2.2um。