CN106644959A - 一种倏逝波耦合湿度传感光纤及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种倏逝波耦合湿度传感光纤及其制备方法。所述光纤包括纤芯和包裹所述纤芯的涂覆层，所述涂覆层的一部分为湿敏涂覆层，所述湿敏涂覆层由塑料透明介质颗粒和光敏物质胶合制成。本发明基于倏逝波耦合吸收原理所制作的U型传感光纤，其U型结构使得入射光中横磁偏振光的部分波失更大程度上耦合到湿敏薄膜内部形成倏逝波，提高了激发光与RB分子相互作用深度，实现了对相对湿度更高灵敏的检测；其制备工艺简单、稳定性好，重复性好，具有宽范围输出，同时克服了传统电化学湿度传感器不耐腐蚀，不抗电辐射等缺点。

Description

一种倏逝波耦合湿度传感光纤及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料科学、光电传感及嵌入式微处理技术的交叉领域，更具体地，涉及一种倏逝波耦合湿度传感光纤及其制备方法。
背景技术
目前，湿度的精确测量在社会许多方面都有极大用途，如航空航天、军事、气象学、水文学、医学、生物学、储藏或生产等。市场上主流的湿度传感器是电容式和电阻式传感器，前者灵敏度高，但线性度和互换性都较差，受电磁干扰影响大；后者小型、响应快，但是电容值随温度变化，因此测量精度有限，且抗电磁干扰能力差。相比之下，光纤传感器具有体积小、易弯曲、灵敏度高、寿命长、抗电磁干扰和辐射、本质安全、易于复用等优点，特别适应于易燃易爆等高危环境和某些狭小空间内的高精度湿度测量。
然而，目前现有技术只有极少量光纤湿度传感器，例如长周期光纤光栅湿度传感器，虽然灵敏度最高，理论上可在全湿范围内测量，但其缺点是温度、湿度、弯曲、应变、折射率等交叉敏感灵敏度都很高，解调较困难，由于外界环境的变化可能使其物理量发生变化，从而使测量精度大大降低。再如布拉格光栅式传感器，只有选用湿膨胀线性度好的材料，整体上才会表现出较好的测量效果；但由于采用双FBG结构，光纤光栅式湿度传感器需要双波长的光源及光谱仪，因而系统成本相对较高。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的倏逝波耦合湿度传感光纤及其制备方法。
根据本发明的一个方面，提供一种倏逝波耦合湿度传感光纤，包括纤芯和包裹所述纤芯的涂覆层，所述涂覆层的一部分为湿敏涂覆层，所述湿敏涂覆层由塑料透明介质颗粒和光敏物质胶合制成。
根据本发明的另一个方面，提供一种倏逝波耦合湿度传感光纤的制备方法，包括：
获取包括纤芯和涂覆层的光纤；
去除光纤的一段涂覆层，以使纤芯裸露；
通过热处理使裸露的纤芯弯曲为具有预定曲率的U型结构；
采用蒸度法在U型结构表面涂覆塑料透明介质颗粒和光敏物质的交联混合膜，形成具有湿敏特性的湿敏光纤。
根据本发明的另一个方面，提供一种倏逝波耦合湿度传感光纤的应用系统，包括依次连接的发光源、第一光纤耦合器、倏逝波耦合湿度传感光纤、第二光纤耦合器、光度计和微处理器；
所述倏逝波耦合湿度传感光纤的具有U型湿敏涂覆层的一段设置于待测湿敏环境中，用于感知湿敏环境；
所述发光源，用于发射光信号；
所述第一光纤耦合器，用于将光信号耦合进光纤；
所述第二光纤耦合器，用于接收光纤中的透射光；
所述光度计，用于检测透射光的波峰幅度，并将光强度信息输出给微处理器；
所述微处理器，用于对经过光纤的光信号强度进行分析建模获取待测湿敏环境的湿度的表征信息。
本申请提出的倏逝波耦合湿度传感光纤及其制备方法和应用系统，基于倏逝波耦合吸收原理所制作的U型传感光纤，其U型结构使得入射光中横磁偏振光的部分波失更大程度上耦合到湿敏薄膜内部形成倏逝波，提高了激发光与RB分子相互作用深度，实现了对相对湿度更高灵敏的检测；其制备工艺简单、稳定性好，重复性好，具有宽范围输出，同时克服了传统电化学湿度传感器不耐腐蚀，不抗电辐射等缺点。
附图说明
图1为本发明倏逝波耦合湿度传感光纤示意图；
图2为本发明倏逝波耦合湿度传感光纤应用系统示意图。
附图标记说明
1、倏逝波耦合湿度传感光纤，2、光纤固定夹，11、纤芯，12、涂覆层，13、湿敏涂覆层，31、发光源，32、第一光纤耦合器，33、第二光纤耦合器，34、光度计，35、微处理器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，一种倏逝波耦合湿度传感光纤，包括纤芯11和包裹所述纤芯11的涂覆层12，所述涂覆层12的一部分为湿敏涂覆层13，所述湿敏涂覆层13由塑料透明介质颗粒和光敏物质胶合制成。
所述湿敏涂覆层13的厚度为130nm～260nm，优选的，所述湿敏涂覆层13的厚度为200nm。
按上述方案，所述塑料透明介质颗粒和光敏物质胶合，可以是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和罗丹明B，也可以是聚乙烯醇(PVA)和碳酰氯(CoCl2)。
当所述湿敏涂覆层由PMMA和罗丹明B制成时，所述湿敏涂覆层的倏逝波耦合深度为130nm～164nm。
所述光纤的具有湿敏涂覆层13的一段为U型结构。
所述光纤的具有湿敏涂覆层13的一段的U型曲率为2-7mm，优选的，所述U型曲率为5mm或2.5mm。
本发明所述光纤基于倏逝波耦合吸收原理，其中U型结构的湿敏光纤2使得入射光中横磁偏振光的部分波失更大程度上耦合到湿敏薄膜内部形成倏逝波，提高了激发光与RB分子相互作用深度，实现了对相对湿度的检测。由于倏逝波与湿敏膜相互作用深度增大的缘故，系统检测相对湿度灵敏度由传统的0.07dB/％RH提高到0.07dB/％RH，因此具有较高的灵敏度。
本发明还提供一种制备倏逝波耦合湿度传感光纤的方法，包括：
获取包括纤芯和涂覆层的光纤；
去除光纤的一段涂覆层，以使纤芯裸露；
通过热处理使裸露的纤芯弯曲为具有预定曲率的U型结构；所述热处理的温度为150℃左右，处理时长为20秒左右。
采用蒸度法在U型结构表面涂覆塑料透明介质颗粒和光敏物质的交联混合膜，形成具有湿敏特性的湿敏光纤。
所述方法还包括：
塑料透明介质颗粒、光敏物质和特定溶液分别以20mg，400mg和100ml比例均匀混合成溶液，将所述溶液在磁力搅拌器上恒温100℃加热至淡黄色；
利用所述溶液进行蒸镀，以对U型光纤裸露部分进行组装涂层；多次重复蒸镀后获得130nm～260nm厚度的湿敏薄膜结构；
蒸镀后的U型湿敏光纤在室温下干燥。
一种实施例为：
取具有纤芯和涂覆层的多模光纤基材，纤芯内径100um，将其中间一段的涂覆层通过化学腐蚀脱落，使该段纤芯裸露，裸露长度为40mm；所述化学腐蚀脱落具体是用脱漆剂浸泡，然后用无尘纸蘸酒精将浸泡过的包层抹掉。
使光纤裸露段暴露在丙烷火焰下，控制火焰温度和弯曲力度使其缓慢弯曲呈曲率为2-7mm的U型结构，优选的可弯曲为曲率为2.5mm的U型结构；采用蒸镀法在所述U型光纤裸露段表面自组装由PMMA和罗丹明B混合交联形成的湿敏薄膜。火焰温度控制包括几个阶段，先控制火焰温度为150℃左右，处理大约30秒，然后使温度为120℃左右，处理大约60秒。
塑料透明介质颗粒与光敏物质制备湿敏薄膜的方法，具体采用PMMA和罗丹明B混合湿敏感薄膜制备方法，如下：罗丹明B、PMMA和乙二醇二醚分别以20mg，400mg和100ml比例均匀混合成溶液，其混合液需要在磁力搅拌器上以恒温100℃加热至淡黄色。为了提高湿敏薄膜的稳定性，可以在上述混合液处理过程中添加10ml的二甲氧基乙醇作为螯合剂。采用蒸镀法对U型光纤裸露部分进行组装涂层，3次重复蒸镀可获得130nm～260nm厚度的湿敏薄膜结构，蒸镀过的U型光纤湿敏段需要在室温下干燥24小时。
本发明所制备的倏逝波耦合湿度传感传感光纤，其湿敏涂覆层包括PMMA与罗丹明B进行交联混合后制得，由于PMMA材料从紫外到近红外范围吸收几乎为零，而罗丹明B的最大吸收波峰在550nm处。
如图2所示，本发明还提供一种倏逝波耦合湿度传感光纤的应用系统，包括依次连接的发光源31、第一光纤耦合器32、倏逝波耦合湿度传感光纤1、第二光纤耦合器33、光度计34和微处理器35；
所述倏逝波耦合湿度传感光纤1的具有U型湿敏涂覆层的一段设置于待测湿敏环境中，用于感知湿敏环境；
所述发光源31，用于发射光信号；
所述第一光纤耦合器32，用于将光信号耦合进光纤；
所述第二光纤耦合器33，用于接收光纤中的透射光；
所述光度计34，用于检测透射光的波峰幅度，并将光强度信息输出给微处理器35；
所述微处理器35，用于对经过光纤的光信号强度进行分析建模获取待测湿敏环境的湿度的表征信息。
所述发光源31为超连续氦-氖激发光源，发光波长为544nm，发射光入射角度为75°。
所述湿敏涂覆层13的倏逝波耦合深度为130nm～164nm。
所述倏逝波耦合湿度传感光纤1在靠近湿敏涂覆层13处，通过光纤固定夹2固定在待测湿敏环境中。
工作原理为：
超连续氦-氖激发光源31发射544nm波长的光信号，通过第一光纤耦合器32入射到倏逝波耦合湿度传感光纤1的输入端，并且入射角度为75°。
光信号在倏逝波耦合湿度传感光纤1中传输；当光信号进入表面设有PMMA及罗丹明B的交联湿敏涂覆层的U型湿敏光纤段时，光信号中横磁偏振光的部分波失更大程度上耦合到湿敏涂覆层13内部形成倏逝波。即光信号在进入U型湿敏光纤段之前在纤芯中按一定的角度进行光的反射传播；在进入U型湿敏光纤段之后，光信号从纤芯透射到湿敏涂覆层13，在湿敏涂覆层13的边界上产生反射，反射光透射到纤芯，再透射到另一侧的湿敏涂覆层13，在另一侧的湿敏涂覆层13的边界再次反射，再次透射到纤芯，如此不断的进行传播；之后光信号又以特定角度入射到非湿敏光纤段，在纤芯中进行反射传播。
当光信号进入U型湿敏光纤段在湿敏涂覆层13的边界反射即形成倏逝波，此时会有光强损失，主要是横磁偏振光的损失。
本发明所述光纤在湿敏涂覆层处的U型结构改变了光信号的反射角度，提高了发光源31与湿敏涂覆层13相互作用深度，实现了对待测湿敏环境相对湿度的检测。
随着待测湿敏环境相对湿度的增加，PMMA及罗丹明B交联湿敏涂覆层13中的RB分子对于激发光的吸收系数也在增加，光度计34实时检测光纤输出端透射光的波峰幅度，并通过串口将透射光的强度信息传递给微处理器35进行分析和建模，使用线性差值方法对输入电压(V)和湿度(％RH)进行转换，从而计算出待测湿敏环境的湿度信息。
在检测过程中，将基于倏逝波耦合吸收原理的U型湿敏涂覆层的光纤固定在光纤固定夹2上，如图2中倏逝波耦合湿度传感光纤1的粗线部分。检测环境应避免强光照射，避免湿敏涂覆层13的表面直接接触到液体或者固体样品上。
本发明提供的倏逝波耦合湿度传感光纤应用系统，结构紧凑，体积小，成本低廉，无需光谱仪，只需要简单的I/V转换采集，可靠性高；另外可达到宽测量范围0-95％，灵敏度高达0.02dB/％RH，在25-85℃范围内传感器偏移小于0.8dB，特别适合现场湿敏测量。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种倏逝波耦合湿度传感光纤，其特征在于，包括纤芯(11)和包裹所述纤芯(11)的涂覆层(12)，所述涂覆层(12)的一部分为湿敏涂覆层(13)，所述湿敏涂覆层(13)由塑料透明介质颗粒和光敏物质胶合制成。
2.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述湿敏涂覆层(13)的厚度为130nm～260nm，优选的厚度为200nm。
3.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光纤的具有湿敏涂覆层(13)的一段为U型结构。
4.如权利要求3所述的光纤，其特征在于，所述光纤的具有湿敏涂覆层(13)的一段的U型曲率为2-7mm。
5.制备权利要求1-4任一项所述倏逝波耦合湿度传感光纤的方法，其特征在于，包括：
获取包括纤芯和涂覆层的光纤；
去除光纤的一段涂覆层，以使纤芯裸露；
通过热处理使裸露的纤芯弯曲为具有预定曲率的U型结构；
采用蒸度法在U型结构表面涂覆塑料透明介质颗粒和光敏物质的交联混合膜，形成具有湿敏特性的湿敏光纤。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：
将塑料透明介质颗粒、光敏物质和特定溶液分别以20mg，400mg和100ml比例均匀混合成溶液，所述溶液在磁力搅拌器上恒温100℃加热至淡黄色；
利用所述溶液进行蒸镀，以对U型光纤裸露部分进行组装涂层；多次重复蒸镀后获得130nm～260nm厚度的湿敏薄膜结构；
蒸镀后的U型湿敏光纤在室温下干燥。
7.一种包括权利要求1-4任一项所述倏逝波耦合湿度传感光纤的湿度传感系统，其特征在于，包括依次连接的发光源(31)、第一光纤耦合器(32)、倏逝波耦合湿度传感光纤(1)、第二光纤耦合器(33)、光度计(34)和微处理器(35)；
所述倏逝波耦合湿度传感光纤(1)的具有U型湿敏涂覆层的一段设置于待测湿敏环境中，用于感知湿敏环境；
所述发光源(31)，用于发射光信号；
所述第一光纤耦合器(32)，用于将光信号耦合进光纤；
所述第二光纤耦合器(33)，用于接收光纤中的透射光；
所述光度计(34)，用于检测透射光的波峰幅度，并将光强度信息输出给微处理器(35)；
所述微处理器(35)，用于对经过光纤的光信号强度进行分析建模获取待测湿敏环境的湿度的表征信息。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述发光源(31)为超连续氦-氖激发光源，发光波长为544nm，发射光入射角度为75°。
9.如权利要求7所述的光纤，其特征在于，所述湿敏涂覆层(13)的倏逝波耦合深度为130nm～164nm。
10.如权利要求7所述的光纤，其特征在于，所述倏逝波耦合湿度传感光纤(1)在靠近湿敏涂覆层(13)处，通过光纤固定夹(2)固定在待测湿敏环境中。
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