CN107271406A - 级联微球谐振腔型湿度传感器 - Google Patents

Abstract

一种级联微球谐振腔型湿度传感器,包括传感器基底，所述的传感器基底上设置有相互垂直的横安装槽a和纵安装槽b，所述的横安装槽a内通过熔锥光纤左调螺丝和熔锥光纤右调螺丝设置有熔锥光纤，所述的熔锥光纤左右两端分别设置有左光纤跳线保护套管和右光纤跳线保护套管，纵安装槽b内通过单模光纤调节螺丝设置有单模光纤，所述的单模光纤相对所述的熔锥光纤的锥区设置；本发明的湿度响应范围宽，灵敏度系数高，与普通湿度传感器相比，具有体积小、响应范围宽、灵敏度高、稳定性好等优点，可推广应用到航空航天、气象学、临床医学、土木工程等许多领域中。

Description

级联微球谐振腔型湿度传感器

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及到一种级联微球谐振腔型湿度传感器。

背景技术

湿度是一个重要的物理量，航空航天、气象学、农业、食品工业、临床医学、制造业、土木工程等许多领域中都需要对湿度进行精确的测量。传统的湿度传感器主要有3类:电解质湿度传感器、半导体陶瓷湿度传感器和有机高分子聚合物湿度传感器。

与传统的湿度传感器相比，光纤湿度传感器凭借其体积小、重量轻、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、制作简单、精度高、易集成和分辨率高等优点，已被广泛用于各场合的湿度测量中。光纤传感技术产生以来，研究者们开发出了多种类型的光纤湿度传感器，其中最常见的可分为两类：光纤传光式和光纤传感式。

光纤传光式湿度传感器，通常是基于湿敏薄膜材料实现湿度探测的，将湿敏薄膜涂覆在光纤结构上，当外界环境的湿度发生变化时会导致光纤中传输的光的某些参量发生变化，比如光强、相位、波长的变化等，近几年，研究者集中研究新的光纤结构，以及尝试各种新的湿敏材料，两者的结合方式也是研究的热点。其中用来制作传感器的湿敏薄膜应消除或尽量减少受到环境中除湿度外别的因素的影响。目前国内外已有很多基于该理念设计的光纤湿度传感器，例如金学良等人的基于Nafion-结晶传感膜和Bedoya M等人基于Ru(Ⅱ)的焚光效应的光纤湿度传感器等。光纤传光式湿度传感器结构简单，制作工艺成熟，是一种科研工作者研究很多的湿度传感器。

光纤传感式湿度传感器的主要部分是光纤材料本身，并可以通过结合其他材料的方式来构成传感探头，从而实现湿度传感。例如将一段光纤拉锥，在锥区涂覆一层湿敏聚合物材料，当光信号在光纤中传输时，锥区附近的温度、湿度、折射率等因素发生变化时，会影响传输光的强度，排除其他干扰因素，即能实现湿度的传感，光纤与湿敏聚合物材料共同构成传感探头。光纤传感式湿度传感器结构紧密，制作简单，易实现微型化便于集成，是目前研究的热点。

上述光纤传光式和光纤传感式湿度传感器，通常是基于外界折射率的改变来实现传感的，除湿度之外，温度和气体浓度的变化同样会导致折射率的改变，从而引入交叉灵敏度。而且，常见的光纤湿度传感器通常结合湿敏聚合物材料来提高湿度探测的灵敏度，聚合物长期暴露在空气中会发生老化，影响传感性能，大大降低了传感器的稳定性与使用寿命。

随着微纳加工技术的发展，光学微腔作为一种重要的光子学器件在基础和应用研究领域受到广泛的关注。作为光学微腔的一种，回音壁模式(Whispering Gallery Mode,WGM)光学微腔具有品质因子高、模体积小、制作方便等特点。在这类微腔中，由于光从高折射率介质到低折射率介质界面上的全反射效应，当光场的闭合路径满足位相相干叠加时则可以形成稳定的驻波场，这样便可以将光限制在一个微米量级的闭合腔中。基于回音壁模式的光纤传感器由于光场被约束在微米量级的区域内振荡，增加了光场与外界物理量之间相互作用的程度或面积，外界环境参量变化引起光信号改变通过光学微腔放大，因此大大提高传感器的探测灵敏度，并且避免了湿敏材料老化所带来问题。能够实现回音壁模式的微腔有微管型、微盘型、微球型、微环型等，几何尺寸一般在几微米到几百微米，并且传感器中微腔与光纤之间的相对位置要求在一个很小的范围内，通常为几微米，所以对传感器的微腔进行有效的封装是一大难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述光纤传感器的不足,提供一种设计合理、结构简单、灵敏度高、稳定性良好的级联微球谐振腔型湿度传感器。

解决上述技术问题采用的技术方案是：包括传感器基底，所述的传感器基底上设置有相互垂直的横安装槽a和纵安装槽b，所述的横安装槽a内通过熔锥光纤左调螺丝和熔锥光纤右调螺丝设置有熔锥光纤，所述的熔锥光纤左右两端分别设置有左光纤跳线保护套管和右光纤跳线保护套管，纵安装槽b内通过单模光纤调节螺丝设置有单模光纤，所述的单模光纤相对所述的熔锥光纤的锥区设置。

本发明的熔锥光纤由直径为125um的商用1550光纤采用火焰拉锥的方法制成，锥区直径为0.5um～3um，由可升降的熔锥光纤左调螺丝和熔锥光纤右调螺丝调节使所述的熔锥光纤锥区悬空。

本发明的单模光纤由商用1550光纤对断面多次放电制成直径150um～200um的微球腔，所述的微球腔相对熔锥光纤的锥区设置。

本发明的单模光纤由商用1550光纤对断面多次放电制成双微球腔。

本发明的单模光纤的微球腔设置为微管腔，所述的微管相对熔锥光纤的锥区设置。

本发明的单模光纤的微球腔设置为光纤微环，所述的光纤微环相对熔锥光纤的锥区设置。

本发明的传感器基底顶部设置有防尘盖板。

本发明的防尘盖板为双层结构，下层盖板上均布设置有通孔，上层盖板与下层盖板之间可相对滑动。

本发明的传感器基底由亚克力玻璃制成。

由于本发明采用了氢氧焰加热一段直径为125um的商用1550光纤，同时用步进电机向两端拉伸制成熔锥光纤,将制成的熔锥光纤固定于传感器基底的横安装槽内，锥区悬空放置，对单模光纤平整的光纤端面多次放电，制成球型微腔，将带有微球腔的光纤放入传感器基底的纵安装槽内，微球腔靠近锥区，熔锥光纤中特定波长的光被耦合进入微球腔内，并发生谐振，熔锥光纤会形成具有很多尖锐谐振峰的透射谱。外界环境中折射率的变化会导致谐振峰的波长漂移和能量变化，通过动态解调仪还原出振动信号得出波长漂移量和能量改变量，从而可以得出外界环境湿度的信息，本发明与普通湿度传感器相比，具有体积小、响应范围宽、灵敏度高、稳定性好等优点，可推广应用到航空航天、气象学、临床医学、土木工程等许多领域中。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是本发明实施例1在不同湿度状态下传感器的干涉谱。

图3是本发明实施例1的光谱波谷处能量对湿度的响应拟合线性关系。

图4是本发明实施例1的光谱波谷处能量对温度的响应拟合关系。

图中：1、传感器基底；2、熔锥光纤；3、防尘盖板；4、熔锥光纤左调节螺丝；5、右光纤跳线保护套管；6、熔锥光纤右调节螺丝；7、单模光纤调节螺丝；8、单模光纤；9、左光纤跳线保护套管；a、横安装槽；b、纵安装槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

在图1中，本发明级联微球谐振腔型湿度传感器,包括传感器基底1，本实施例的传感器基底1由亚克力玻璃制成，在传感器基底1上设置有相互垂直的横安装槽a和纵安装槽b，横安装槽a内通过熔锥光纤左调螺丝4和熔锥光纤右调螺丝7固定安装有熔锥光纤2，本实施例的熔锥光纤2由直径为125um的商用1550光纤采用火焰拉锥的方法制成，锥区直径为1um，熔锥光纤2中倏逝场更容易发生耦合，提高传感器灵敏度，可升降的熔锥光纤左调螺丝4和熔锥光纤右调螺丝7可以调节控制熔锥光纤2的高度，使熔锥光纤2锥区悬空。熔锥光纤左右两端分别设置有左光纤跳线保护套管5和右光纤跳线保护套管9，左侧接入宽带光源，右侧连接光谱仪记录透射谱线，纵安装槽b内通过单模光纤调节螺丝7固定安装有单模光纤8，本实施例的单模光纤8由商用1550光纤对断面多次放电制成直径150um的微球腔，该微球腔相对熔锥光纤2的锥区设置，带有微球腔的单模光纤8靠近熔锥光纤锥区，用单模光纤调节螺丝7调节其与熔锥光纤5的前后位置。本实施例的传感器基底1顶部还可设置有防尘盖板3，防尘盖,3为双层结构，下层盖板上均布加工有通孔，固定于传感器的传感区域上方，上层盖板与下层盖板之间可相对滑动，当传感器不工作时，关闭防尘盖板3，防止灰尘落入锥区，影响传感器灵敏度。

实施例2

上述实施例1中，本实施例的熔锥光纤2由直径为125um的商用1550光纤采用火焰拉锥的方法制成，锥区直径为0.5um，其余各零部件以及零部件的连接关系与实施例1完全相同。

实施例3

上述实施例1中，本实施例的熔锥光纤2由直径为125um的商用1550光纤采用火焰拉锥的方法制成，锥区直径为3um，其余各零部件以及零部件的连接关系与实施例1完全相同。

实施例4

在上述实施例1～3中，本实施例的单模光纤8由商用1550光纤对断面多次放电制成双微球腔，其余各零部件以及零部件的连接关系与实施例1完全相同。

实施例5

在上述实施例1～3中，本实施例的单模光纤8上的微球腔设置为微管腔，所述的微管相对熔锥光纤2的锥区安装，其余各零部件以及零部件的连接关系与实施例1完全相同。

实施例6

在上述实施例1～3中，本实施例的单模光纤8上的微球腔设置为光纤微环，所述的光纤微环相对熔锥光纤2的锥区安装，其余各零部件以及零部件的连接关系与实施例1完全相同。

实施例7

在上述实施例1～3中，本实施例的单模光纤8由商用1550光纤对断面多次放电制成直径200um的微球腔，该微球腔相对熔锥光纤2的锥区设置，其余各零部件以及零部件的连接关系与实施例1完全相同。

本发明的工作原理如下：

用单模光纤调节螺丝7调节单模光纤8与熔锥光纤2的前后位置，使微球腔与熔锥光纤2锥区的相对距离满足谐振条件，此时，熔锥光纤2中部分光会耦合到微球腔中并发生谐振，从而使熔锥光纤2透射谱中出现一系列尖锐的谷，当外界环境湿度发生变化时，透射光谱发生变化，记录湿度与谱线变化的对应关系，即可实现湿度传感。

为了验证本发明的有益效果，发明人采用上述实施例1制备的基于回音壁模式微球腔结构的光纤湿度传感器进行实验室研究试验，实验情况如下：

实验仪器：振动台，型号为JZ-40，由北京波普公司生产；解调仪，型号为SM-130，由美国微光公司生产。

1、湿度测量实验

将本发明和标准湿度传感器固定在一干燥塔内相同位置，干燥塔初始相对湿度为80，加入适量干燥剂后，相对湿度从80降至20，用动态解调仪测得每个湿度单位对应的光谱信息，实验结果见图2和图3，从图中可以看出，传感器对湿度的响应十分敏感，并且随着湿度的变化，光谱只有能量发生变化，波长并为发生漂移，灵敏度为0.10318dB/％RH。

2、温度测量实验

将本发明和标准温度传感器固定于一烘箱内，控制箱内温度从20℃改变为30℃，用动态解调仪记录光谱随温度变化信息，实验结果见图4，从图中可以看出，传感器对温度不敏感，说明本发明为温度不相关湿度传感器，克服了现有湿度传感器易受环境温度变化影响的问题。

Claims (9)

1.一种级联微球谐振腔型湿度传感器,其特征在于：包括传感器基底，所述的传感器基底上设置有相互垂直的横安装槽a和纵安装槽b，所述的横安装槽a内通过熔锥光纤左调螺丝和熔锥光纤右调螺丝设置有熔锥光纤，所述的熔锥光纤左右两端分别设置有左光纤跳线保护套管和右光纤跳线保护套管，纵安装槽b内通过单模光纤调节螺丝设置有单模光纤，所述的单模光纤相对所述的熔锥光纤的锥区设置。

2.根据权利要求1所述的级联微球谐振腔型湿度传感器，其特征在于：所述的熔锥光纤由直径为125um的商用1550光纤采用火焰拉锥的方法制成，锥区直径为0.5um～3um，由可升降的熔锥光纤左调螺丝和熔锥光纤右调螺丝调节使所述的熔锥光纤锥区悬空。

3.根据权利要求1所述的级联微球谐振腔型湿度传感器，其特征在于：所述的单模光纤由商用1550光纤对断面多次放电制成直径150um～200um的微球腔，所述的微球腔相对熔锥光纤的锥区设置。

4.根据权利要求1所述的级联微球谐振腔型湿度传感器，其特征在于：所述的单模光纤由商用1550光纤对断面多次放电制成双微球腔。

5.根据权利要求3所述的级联微球谐振腔型湿度传感器，其特征在于：所述的单模光纤的微球腔设置为微管腔，所述的微管相对熔锥光纤的锥区设置。

6.根据权利要求3所述的级联微球谐振腔型湿度传感器，其特征在于：所述的单模光纤的微球腔设置为光纤微环，所述的光纤微环相对熔锥光纤的锥区设置。

7.根据权利要求1所述的级联微球谐振腔型湿度传感器，其特征在于：所述的传感器基底顶部设置有防尘盖板。

8.根据权利要求7所述的级联微球谐振腔型湿度传感器，其特征在于：所述的防尘盖板为双层结构，下层盖板上均布设置有通孔，上层盖板与下层盖板之间可相对滑动。

9.根据权利要求1所述的级联微球谐振腔型湿度传感器，其特征在于：所述的传感器基底由亚克力玻璃制成。