CN107561039A

CN107561039A - 氧化石墨烯镀层光纤的制备方法、湿度传感器及其应用

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Publication number: CN107561039A
Application number: CN201710879744.9A
Authority: CN
Inventors: 蒙红云; 刘帅; 邓淑营; 谭春华; 黄旭光
Original assignee: South China Normal University
Current assignee: South China Normal University
Priority date: 2017-09-26
Filing date: 2017-09-26
Publication date: 2018-01-09

Abstract

本发明涉及光纤技术领域，具体涉及氧化石墨烯镀层光纤的制备方法、湿度传感器及其应用。本发明的基于氧化石墨烯镀层光纤的湿度传感器，包括：宽带光源、光纤传感头、氧化石墨烯、光谱仪；所述光纤传感头的第一输入端口与宽带光源通过光纤连接，第一输出端口与光谱仪通过光纤连接；所述光纤传感头由三段光纤组成，三段光纤相错位形成马赫‑曾德干涉仪结构，其中第二段光纤位于中间；所述光纤传感头的第二段光纤表面上镀有一层氧化石墨烯镀。本发明的传感器具备结构简单、成本低、操作方便、测量范围较大、测量精度高、分辨率高以及应用范围广的优点。

Description

氧化石墨烯镀层光纤的制备方法、湿度传感器及其应用

技术领域

本发明涉及湿度传感器技术领域，尤其涉及一种氧化石墨烯镀层光纤的制备方法、基于该氧化石墨烯镀层光纤的湿度传感器及采用该湿度传感器测量湿度的方法。

背景技术

湿度作为一个重要的物理量，与人类生活和国民生产息息相关。一方面，环境湿度对人类的健康影响很大。另一方面，在工农业生产、气象、环保、生命、航天、国防等领域，也需要对环境湿度进行检测及控制。正是基于如此广泛的需求，湿度测量方法得以不断的拓展和壮大。常规测量湿度的方法有伸缩法、干湿球法、冷凝露点法、氯化锂露点法、电阻电容法、电解法以及重量法。但是这些常规的测量方法装置都较为复杂，而且灵敏度有限，在较为恶劣的环境下也难以实现湿度的测量。在测量技术日益精密的科学研究中，这种偏差往往会对研究结果造成较大的影响。目前利用光纤来测量湿度可以很好的规避这些问题，例如可以用Mach-Zehnder光纤干涉仪、Michelson光纤干涉仪、Fabry-Perot干涉传感器和光纤Sagnac干涉传感器来对湿度进行测量。

然而，现有测量湿度的光纤仪器存在检测灵敏度较低的问题。

发明内容

有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种氧化石墨烯镀层光纤的制备方法、湿度传感器及其应用。

为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：

本发明的基于氧化石墨烯镀层光纤的湿度传感器，包括：宽带光源、光纤传感头、氧化石墨烯、光谱仪；

所述光纤传感头的第一输入端口与宽带光源通过光纤连接，第一输出端口与光谱仪通过光纤连接；光纤传感头内部的马赫-曾德干涉仪中的两束光传输时发生干涉，然后传输到光谱仪；

所述光纤传感头由三段光纤组成，三段光纤相错位形成马赫-曾德干涉仪结构，其中第二段光纤位于中间，第一段光纤和第三段光纤位于第二段光纤两端；

所述光纤传感头的第二段光纤的表面上镀有一层氧化石墨烯。

进一步的，所述光纤湿度传感器还包括计算机，所述计算机与光谱仪输出端通信连接。所述计算机用于接收光谱仪的输出数据并计算折射率和温度。

进一步的，所述光纤传感头内部的马赫-曾德干涉仪结构为光纤尾纤。

进一步的，所述第一段光纤和第三段光纤的中心轴相重合。

进一步的，从成本经济上考虑，三段所述光纤均为普通光纤，光纤尾纤为普通光纤的尾纤。并且可以选择该普通光纤为单模光纤。

进一步的，所述的宽带光源为C波段1520nm-1570nm的光纤宽带光源，各部件连接间的传输光纤均为普通单模光纤。

本发明的光纤传感头的第二段光纤的表面上的氧化石墨烯镀层采用以下方法进行镀膜：

步骤1，在室温下依次使用0.5-2mol/L丙酮、0.5-2mol/L盐酸分别清洗光纤表面5-15分钟；

步骤2，用去离子水再清洗一遍后烘干；

步骤3，再把第二段光纤于3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)水溶液浸泡1-3小时；

步骤4，用乙醇清洗光纤，清洗之后放在温度为50-55℃的环境下进行烘干；

步骤5，把经过步骤4处理的第二段光纤浸入0.01-0.1mg/mL)的氧化石墨烯水溶液中，温度控制在50-55℃；当能观察到氧化石墨烯成功的镀在第二段光纤之后，把第二段光纤移出；在室温下使其自然烘干后，完成了整个的镀膜过程。

进一步的，将经步骤2处理的第二段光纤浸入0.8-1.5mol/L的NaOH溶液中0.5-2小时。

优选的，所述3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)在水中的浓度为5％。

进一步的，所述光纤传感头的第二段光纤的表面上的氧化石墨烯镀层采用浓度为0.06mg/mL的氧化石墨烯水溶液进行镀膜。

本发明的基于马赫-曾德干涉仪和氧化石墨烯镀膜的光纤湿度传感器，计算机根据干涉条纹的谷值波长随待测空间环境湿度变化而变化的规律，计算出待测空间环境的湿度。

利用上述基于氧化石墨烯镀层光纤的湿度传感器测量湿度的方法，具体为：将光纤传感头放入待测空间环境中，于光纤内部传输的两光束进行干涉，干涉条纹波谷的波长随光纤传感头所处的待测空间环境湿度的变化而变化，通过光谱仪和计算机测得干涉条纹谷值波长的移动范围，再经计算机计算得到待测空间环境的湿度。

上述的测量方法中，当待测环境空间的湿度发生变化时，通过光谱仪探测干涉条纹谷值波长的移动范围，经过计算机进行计算后，即得到待测空间环境的湿度。

当纤芯模和被激发的i阶包层模的相位差时，波谷波长为：

其中，λ_min,k表示i阶包层模和纤芯模干涉产生的干涉输出谱的波谷波长。和分别表示纤芯的有效折射率和被激发的i阶包层模的有效折射率。

本发明的有益效果为：

本发明的传感器具备结构简单、成本低、操作方便、测量范围较大、测量精度高、分辨率高以及应用范围广的优点。

本发明的传感器除了用于一般性的环境空间的湿度测量以外，还可用于微小变化、危险环境下的环境空间的湿度测量。本发明还可以对湿度进行实时测量。

附图说明

图1是基于氧化石墨烯镀层光纤的湿度传感器结构示意图；

图2是测量光纤传感头结构以及与待测溶液物质交界面处的示意图；

图3是光纤传感器在湿度为RH＝30％的空间环境下的传输谱；

图4是马赫-曾德干涉仪在空间环境湿度分别为30％，40％，50％，60％时的传输谱；

图5是在空间环境湿度从30％变化到60％时，传感器干涉条纹谷值波长为1545.7nm时的移动拟合规律。

附图标记：1、宽带光源；2、光纤传感头；202、第一段光纤；203、第三段光纤；204、第二段光纤；3、氧化石墨烯；4、光谱仪；5、计算机；6、包层；7、待测空间环境。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

参见图1，基于马赫-曾德干涉仪和氧化石墨烯的光纤湿度传感器包括宽带光源1，光纤传感头2，氧化石墨烯3，光谱仪4。其中，宽带光源1连接到光纤传感头2的第一输入端口，光纤传感头2的第一输出端口连接光谱仪4。作为优选的，可以设置计算机5作为数据处理器，所述计算机5和光谱仪4通信连接，进行数据处理。

图2是测量光纤传感头结构以及与待测溶液物质交界面处的示意图。所述光纤传感头2由三段错位的光纤形成马赫-曾德干涉仪结构。优选地，位于第二段普通光纤204两端的第一段普通光纤202和第三段普通光纤203的中心轴重合，第二段普通光纤204表面镀上一层氧化石墨烯3。其中待测空间环境7内部充满了具有一定湿度的空气。

本发明中，所述的宽带光源1为C波段(1520nm～1570nm)的宽带光源1。传输光纤为单模光纤。

进行测量时，光纤传感头2放入待测空间环境7中，将其检测到的相应数据输入到计算机5，通过计算获得干涉条纹谷值波长的移动范围，根据拟合曲线获得被测空间环境的湿度。干涉条纹谷值波长随测量光纤传感头所处的待测空间环境湿度的变化而变化的原理如下：

由于光纤错位，构成马赫-曾德干涉仪，使得单模光纤中传输的光束分成两束光传播，一束在纤芯中，一束在包层6中。两束光传输的路径不同，彼此之间会产生累积的相位差2πΔnL₁/λ，其中Δn是纤芯和包层6之间传输的光束的折射率差，L₁是光纤错位的长度，λ是输入的波长。当光纤传感器所测的待测空间环境的湿度变化时，会使得包层6中的光束传输的路径发生变化，两光束之间的相位差也会发生改变，使得他们之间的干涉条纹的谷值波长发生相应的移动。

氧化石墨烯3是一种重要的石墨烯的衍生物，它富含含氧官能团，例如：羟基、羧基、环氧化物和羰基等。这使其具有很多独特的特性，例如：可分散性、亲水性以及极大的比表面积。正是这些特性使得氧化石墨烯3可以和外界水分子产生作用，因此可以将其镀在光纤的表面制成光纤传感器。氧化石墨烯3的有效折射率会随着外界环境湿度的变化而变化，从而致使光谱的谷值波长发生相应的移动。通过探测谷值波长的移动来得到传感器的湿度灵敏度。

其中，K是条纹可见度，I_core和I_clad分别是纤芯和包层6的光强。

如图2所示，光源发出的光从第一段光纤202进入光纤传感头2，在第一段光纤202中光大部分在纤芯中传输，通过第一个错位结构之后一部分光耦合到包层6中，剩下的一部分光仍然在纤芯中传输，由于两束光的传播路径不同，经过一段路程之后会产生稳定的相位差，通过第二个错位之后包层6又耦合到纤芯中与纤芯模产生干涉。如图3所示，为光在空气湿度为30％时的传输谱。因此，干涉强度的变化可以用下式来表示：

理论上，当I_core≈I_clad时，K达到最大值。所以，控制错位长度就显得尤为重要。纤芯模和被激发的包层模的相位差会随着外界环境的变化而变化。可以通过以下的式子表示：

其中，和分别是纤芯模和i阶包层6的有效折射率，d是两个错位结构之间的距离，λ是真空中的工作波长，是纤芯基模和i阶包层6的有效折射率差。

当最小光强波长可以表示为：

对光纤传感头2进行氧化石墨烯3镀膜时，首先要采用化学方法对光纤的表面进行处理，使氧化石墨烯3能更加容易和均匀的吸附在光纤表面，更重要的是可以提高传感器的湿度测量灵敏度，即，在室温下先后使用丙酮和盐酸(浓度均为1mol/L)分别清洗光纤表面10分钟，另一个目的是清除光纤表面的有机污染物。然后，用去离子水再清洗一遍并烘干。为了增大光纤表面的硅烷醇基的数量，把传感头浸入NaOH(1mol/L)溶液中1小时。接着，再把光纤浸入3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)溶液2小时，3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)与光纤二氧化硅表面的羟基相互作用，从而形成Si-O-Si共价键。再用乙醇清洗光纤，清洗之后放在温度为50℃的环境下进行烘干30分钟，温度为50℃的环境通过恒温恒湿箱实现。最后，把经过处理的光纤传感头2浸入0.06mg/mL的氧化石墨烯3溶液中，温度控制在50℃。当能观察到氧化石墨烯3成功的镀在光纤传感头2之后，把光纤传感头2移出氧化石墨烯3溶液。在室温下使其自然烘干12小时后就完成了整个的镀膜过程。

由于含氧官能团的存在，氧化石墨烯3薄膜具有很强的吸水性。当外界的环境湿度变化时，氧化石墨烯3薄膜就会吸收水分子。由于水分子填充到氧化石墨烯3薄膜中，导致氧化石墨烯3薄膜变大。随着水分子的增加，氧化石墨烯3的有效折射率就会随之而减小。最终就会导致包层6和氧化石墨烯3薄膜之间的有效折射率变小。

为进一步校验本发明的可行性，特进行如下的实验：

在实验中，应用本发明的光纤传感器测量空间环境中不同湿度条件下的传输光谱图。如图4所示，图中四条曲线对应光纤传感头2放置于湿度分别为30％，40％，50％，60％的空间环境中的传输谱。其中，马赫-曾德干涉仪错位的光纤纵向长度(第二段光纤204长度)约为3.5cm，横向长度(即错位长度)为5μm。从图4可以看出，马赫-曾德干涉仪中的干涉条纹谷值波长随光纤传感头2所置空间环境的湿度的增大而增大。

图5是应用本发明的光纤传感器对待测空间环境下的不同湿度的数据结果与拟合结果。从图5可以看出，在待测空间环境中湿度由30％至60％变化范围内，拟合曲线能够精确的匹配测量结果，线性度为99.61％。从拟合曲线可以得到马赫-曾德干涉仪对于湿度的探测灵敏度为0.104dB/％RH。在一般的科研范围中，此灵敏度可以达到相应的要求。

从实验中可知，尽管传输光谱干涉条纹谷值波长随时间而随机变化，但由于其随时间变化很小，即说明本传感器稳定性是可行的。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种基于氧化石墨烯镀层光纤的制备方法，其特征在于，采用以下方式进行镀膜：

步骤2，用去离子水再清洗一遍后烘干；

步骤3，再把第二段光纤于3-氨丙基三乙氧基硅烷水溶液浸泡1-3小时；

步骤5，把经过步骤4处理的第二段光纤浸入0.01-0.1mg/mL的氧化石墨烯水溶液中，温度控制在50-55℃；当能观察到氧化石墨烯成功的镀在第二段光纤之后，把第二段光纤移出；在室温下使其自然烘干后，完成了整个的镀膜过程。

2.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯镀层光纤的制备方法，其特征在于，将经步骤2处理的第二段光纤浸入0.8-1.5mol/L的NaOH溶液中0.5-2小时。

3.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯镀层光纤的制备方法，其特征在于，所述3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)在水中的浓度为5％。

4.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯镀层光纤的制备方法，其特征在于，所述光纤传感头的第二段光纤的表面上的氧化石墨烯镀层采用浓度为0.06mg/mL的氧化石墨烯水溶液进行镀膜。

5.一种基于氧化石墨烯镀层光纤的湿度传感器，其特征在于，包括：宽带光源、光纤传感头、氧化石墨烯、光谱仪；

所述光纤传感头由三段光纤组成，三段光纤相错位形成马赫-曾德干涉仪结构；其中第二段光纤位于中间，第一段光纤和第三段光纤位于第二段光纤两端；

6.根据权利要求5所述的基于氧化石墨烯镀层光纤的湿度传感器，其特征在于，所述光纤湿度传感器还包括计算机，所述计算机与光谱仪输出端通信连接；所述计算机用于接收光谱仪的输出数据并计算折射率和温度。

7.根据权利要求5所述的基于氧化石墨烯镀层光纤的湿度传感器，其特征在于，所述光纤传感头内部的马赫-曾德干涉仪结构为去除包层的光纤尾纤。

8.根据权利要求5所述的基于氧化石墨烯镀层光纤的湿度传感器，其特征在于，所述的宽带光源为C波段1520nm-1570nm的光纤宽带光源，各部件连接间的传输光纤均为普通单模光纤。

9.根据权利要求5所述的基于氧化石墨烯镀层光纤的湿度传感器，其特征在于，所述第一段光纤和第三段光纤的中心轴相重合。

10.一种基于氧化石墨烯镀层光纤的湿度传感器测量湿度的方法，具体为：将光纤传感头放入待测空间环境中，于光纤内部传输的两光束进行干涉，干涉条纹波谷的波长随光纤传感头所处的待测空间环境湿度的变化而变化，通过光谱仪和计算机测得干涉条纹谷值波长的移动范围，再经计算机计算得到待测空间环境的湿度。