CN106290253A - 一种测量空气中相对湿度的光纤型传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量空气中相对湿度的光纤型传感器，由宽带光源、偏振控制器、第一单模光纤、第二单模光纤、第三单模光纤、氧化石墨烯薄膜、进气口、出气口、气室底座和气室屏障、光谱分析仪，第一二维光纤夹具，第二二维光纤夹具组成；其中第三单模光纤上面镀有氧化石墨烯薄膜，纤芯刻有倾斜的布拉格光栅。通过将一定功率的连续激光输入到倾斜布拉格光栅中，利用激光在传感结构处产生的干涉耦合现象，利用光热光压效应在传感结构的侧表面均匀镀上氧化石墨烯薄膜。该薄膜具有吸湿膨胀和干燥消溶胀的特性，相应的薄膜折射率也会发生变化，可以极大的提高该传感器的灵敏度和分辨率。

Description

一种测量空气中相对湿度的光纤型传感器

技术领域

本发明提出了一种测量空气中相对湿度的光纤型传感器，属于光纤传感技术领域。

背景技术

石墨烯是一种新型的二维碳材料，具有比表面积大、导热系数高、机械强度大等优良性能。氧化石墨烯属于石墨烯最重要的衍生物，它在保留着石墨烯众多特性的同时，其表面丰富的含氧官能团使得其有着良好的亲水特性，可以稳定的分散于水溶液或乙醇溶液中。

由于氧化石墨烯表面及边缘存在着大量的含氧极性官能团，因此该材料具有良好的吸湿性。将光纤传感结构浸入氧化石墨烯分散液中，同时在该光纤传感结构中输入一定功率的连续激光，利用该激光在传感结构处产生的热量以及光压效应，可以在光纤传感器侧表面均匀镀上氧化石墨烯薄膜。利用该薄膜吸湿膨胀和干燥消溶胀的特性，可制成光纤湿度传感器。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种测量空气中相对湿度的光纤型传感器，通过将一定功率的连续激光输入到倾斜布拉格光栅中，利用激光在传感结构处产生的干涉耦合现象，利用光热光压效应在传感结构的侧表面均匀镀上氧化石墨烯薄膜。该薄膜具有吸湿膨胀和干燥消溶胀的特性，相应的薄膜折射率也会发生变化，可以极大的提高该传感器的灵敏度和分辨率。

本发明通过以下技术方案实现：一种测量空气中相对湿度的光纤型传感器，其特征在于：由宽带光源(1)、偏振控制器(2)、第一单模光纤(3)、第二单模光纤(4)、第三单模光纤(5)、氧化石墨烯薄膜(6)、进气口(7)、出气口(8)、气室底座(9)和气室屏障(10)光谱分析仪(11)，第一二维光纤夹具(14)，第二二维光纤夹具(15)组成；其中第三单模光纤(5)上面镀有氧化石墨烯薄膜(12)，纤芯刻有倾斜的布拉格光栅(13)，偏振控制器(2)左端与宽带光源(1)连接，右端与第一单模光纤(3)左端连接，第一单模光纤(3)右端与第三单模光纤(4)左端连接，第二单模光纤(4)左端与第三单模光纤(5)右端相连，第二单模光纤(4)右端与光谱分析仪(11)连接；偏振控制器(2)用于控制入射光的偏振态，调节偏振控制器(2)使出来的光为P偏振态，在气室中进气与出气的速率相等，稳定控制在1000sccm，实验温度控制在23摄氏度。

所述的第三单模光纤(5)的倾斜布拉格光栅由单模光纤通过相位匹配的方法制作而成，光栅长度为10mm，光栅周期为556.6nm，倾斜角度为10°。

所述的宽带光源(1)的波长范围为1420nm～1620nm。

所述的氧化石墨烯薄膜(6)作为湿度敏感膜，厚度为0.5～2μm。

本发明的工作原理是：入射光通过带有倾斜的布拉格光栅(13)的第三单模光纤(5)时部分光会反射回到入射端的包层，相位匹配后形成反射梳状包层模，当氧化石墨烯薄膜由于外界湿度变化使得包层外界物质折射率改变，激发出来的反射包层模会产生波长飘移。为了更好的检测湿度的变化，用偏振控制器来控制传输光的偏振方向，布拉格模式波表示为λ_Bragg，第i阶模式的包层模干涉表示为则传输模式可以表示为：

${\mathrm{\λ}}_{Bragg}=2n_{eff}^{core}\left({\mathrm{\λ}}_{Bragg}\right)\mathrm{\Λ}/\cos \left(\mathrm{\θ}\right)---\left(1\right)$

${\mathrm{\λ}}_{cladding}^i=\left(n_{eff}^{core}\right({\mathrm{\λ}}_{cladding}^i)+n_{eff}^{cladding}({\mathrm{\λ}}_{cladding}^i\left)\right)\mathrm{\Λ}/cos\left(\mathrm{\θ}\right)---\left(2\right)$

其中为单模光纤纤芯的有效折射率，为包层的有效折射率，θ为倾斜布拉格光栅的角度，Λ为干涉图样的周期。

本发明采用的是氧化石墨烯薄膜(6)，因为其表面及边缘存在大量的含氧极性基团，因此，该材料对湿度变化敏感。氧化石墨烯薄膜吸收水分子会膨胀，干燥则会消溶胀，相应的折射率也会发生变化。当该薄膜被镀在偏振单模光纤3(5)的表面时，可以得到相应波长的改变量，从而达到探测外界湿度的变化。

本发明的有益效果是：提出将对湿度变化尤为敏感的氧化石墨烯薄膜(6)作为湿度敏感膜，该传感器对外界湿度变化的敏感性将明显增强。同时，将第三单模光纤(5)加入到气室屏障(10)中，通过监测发现该湿度传感器的灵敏度将得到显著提升，为湿度检测提供了一种较为简便易搭建、可靠、灵敏度高的新方法。

附图说明

图1是本发明的一种测量空气中相对湿度的光纤型传感器特征装置示意图。

图2是本发明的处于不同湿度下的干涉峰光强变化图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

参见附图1，一种测量空气中相对湿度的光纤型传感器，其特征在于：由宽带光源(1)、偏振控制器(2)、第一单模光纤(3)、第二单模光纤(4)、第三单模光纤(5)、氧化石墨烯薄膜(6)、进气口(7)、出气口(8)、气室底座(9)和气室屏障(10)光谱分析仪(11)，第一二维光纤夹具(14)，第二二维光纤夹具(15)组成；其中第三单模光纤(5)上面镀有氧化石墨烯薄膜(12)，纤芯刻有倾斜的布拉格光栅(13)，偏振控制器(2)左端与宽带光源(1)连接，右端与第一单模光纤(3)左端连接，第一单模光纤(3)右端与第三单模光纤(4)左端连接，第二单模光纤(4)左端与第三单模光纤(5)右端相连，第二单模光纤(4)右端与光谱分析仪(11)连接。

第一单模光纤(3)，第二单模光纤(4)，第三单模光纤(5)的连接，采用的光纤熔接机型号为Fujikura 60s，程序设置为标准熔接，实验环境设置为常温气室25°。将第三单模光纤(5)浸入氧化石墨烯分散液中，同时在该光纤传感结构中输入一定功率的连续激光，利用该激光在单模光纤3(5)产生的热量以及光压效应，可以在单模光纤3(5)侧表面均匀镀上氧化石墨烯薄膜(6)，然后取出并置于室温下自然干燥48小时。

Claims (4)

1.一种测量空气中相对湿度的光纤型传感器，其特征在于：由宽带光源(1)、偏振控制器(2)、第一单模光纤(3)、第二单模光纤(4)、第三单模光纤(5)、氧化石墨烯薄膜(6)、进气口(7)、出气口(8)、气室底座(9)和气室屏障(10)光谱分析仪(11)，第一二维光纤夹具(14)，第二二维光纤夹具(15)组成；其中第三单模光纤(5)上面镀有氧化石墨烯薄膜(12)，纤芯刻有倾斜的布拉格光栅(13)，偏振控制器(2)左端与宽带光源(1)连接，右端与第一单模光纤(3)左端连接，第一单模光纤(3)右端与第三单模光纤(4)左端连接，第二单模光纤(4)左端与第三单模光纤(5)右端相连，第二单模光纤(4)右端与光谱分析仪(11)连接。

2.根据权利要求1所述的一种测量空气中相对湿度的光纤型传感器，其特征在于：所述的第三单模光纤(5)的倾斜布拉格光栅由28号单模光纤暴露在氟化氪脉冲激光器通过相位匹配的方法制作而成，光栅长度为10mm，光栅周期为556.6nm，倾斜角度为10°。

3.根据权利要求1所述的一种测量空气中相对湿度的光纤型传感器，其特征在于：所述的宽带光源(1)的波长范围为1420nm～1620nm。

4.根据权利要求1所述的一种测量空气中相对湿度的光纤型传感器，其特征在于：氧化石墨烯薄膜(6)作为湿度敏感膜，厚度为0.5～2μm。