CN107621447A - 一种可测量液体质量与湿度的光纤超灵敏传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可测量液体质量与湿度的光纤超灵敏传感器，由宽带光源，第一单模光纤，蝶形锥，第二单模光纤，光谱仪组成。宽带光源发出的光经过传输光纤进入第一单模光纤，前行的光通过第一单模光纤后经过错位处，此时的光分成两束在纤芯中传播的光以及在包层中传播的光，两束光前行至蝶形锥处被重新耦合进纤芯，然后继续前向传播至错位处再次形成干涉，最终光束通过第二单模光纤后经过传输光纤进入光谱仪。在测量湿度和液体质量的时候，随着湿度或者残留在传感区的液体质量的变化，导致光纤的弯曲程度的变化，最终在光谱仪中得到变化的信号。

Description

一种可测量液体质量与湿度的光纤超灵敏传感器
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种可测量液体质量与湿度的光纤超灵敏传感器技术领域。
背景技术
相比于传统的电子湿度传感器，光纤湿度传感器具有一些独特的优势，比如：结构紧凑，较小的体积、更轻的重量，对于外界复杂的电磁环境完全免疫，耐腐蚀能力更强，可以轻松实现远程监测。
一般的光纤湿度传感器主要是通过在光纤传感结构的表面涂覆上湿度敏感膜来实现对外部湿度变化进行检测，很少有文献中提及不使用敏感膜来进行湿度传感。
现有的大多光纤传感器测质量的范围在几克到几千克之间，少有涉及测量质量为毫克级别的光纤传感器。
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可测量液体质量与湿度的光纤超灵敏传感器，测量湿度时通过观察峰值的变化来对湿度进行检测，测量液体质量时通过观察记录光谱的波谷的强度值来对传感区的质量进行检测，该结构易于集成，便于实现。
本发明通过以下技术方案实现：一种可测量液体质量与湿度的光纤超灵敏传感器，由宽带光源（1），第一单模光纤（2），蝶形锥（3），第二单模光纤（4），光谱仪（5）组成，其特征在于：宽带光源（1）与第一单模光纤（2）的左端通过传输光纤连接，第一单模光纤（2）的右端与蝶形锥（3）的左端通过熔接机错位熔接，蝶形锥（3）的右端与第二单模光纤（4）的左端通过熔接机错位熔接，第二单模光纤（4）的右端与光谱仪（5）通过传输光纤连接。
所述的蝶形锥（3）锥区直径为80微米，锥区长度为95微米，其中心小球的直径为40微米。
所述的第一单模光纤（2）的右端与蝶形锥（3）的左端通过熔接机错位熔接，错位量为9微米。
所述的蝶形锥（3）的右端与第二单模光纤（4）的左端通过熔接机错位熔接，错位量为9微米。
本发明的工作原理是：宽带光源（1）发出的光经过传输光纤进入第一单模光纤（2），前行的光通过第一单模光纤（2）后经过错位处，此时的光分成两束在纤芯中传播的光以及在包层中传播的光，两束光前行至蝶形锥（3）处被重新耦合进纤芯，然后继续前向传播至错位处再次形成干涉，最终光束通过第二单模光纤（4）后经过传输光纤进入光谱仪（5）。
在具体环境工作的时候，由于湿度的增加，吸附在光纤上的水分增多，蝶形锥（3）周围区域被压弯，改变了光纤内干涉的条件，最终在光谱仪（5）中得到变化的信号。将光谱的峰值与相对湿度的数据进行拟合，得到关系式：
（1）
其中拟合优度R2=0.9503，说明关系式的拟合效果很好，可以使用。此时将检测得到的光谱的峰值强度代入关系式就能计算出相应的空气相对湿度。相对湿度检测范围为50%-85%。
在测量液体质量的时候， 往传感区均匀滴水，让留在传感区的水分随着时间自然蒸发，光纤被水分压弯的程度随着时间变化，观察记录光谱随着时间的变化，做出时间与光谱波谷强度的关系图。另外使用电子天平称量等量的水的质量，并记录水分随着时间蒸发的质量数值，做出关系图。将两者的结果进行结合最后得到残留在传感区的质量与光谱之间的关系表达式
（2）
其中拟合优度为R2=0.9867，传感器能够测量0~25mg的传感区残留液体质量。
本发明的有益效果是：采取的传感器是没有镀膜的方案，灵敏度为0.075（db/%RH），超过了由Khijwania S K, Srinivasan K L, Singh J P发表的文章An evanescent-wave optical fiber relative humidity sensor with enhanced sensitivity中的镀膜的传感器。为光纤湿度传感在没有镀膜情况下提出了新的切实可行的方案，同时还能进行毫克级别的液体质量传感，简单易行，方便可靠。
附图说明
图1是一种可测量液体质量与湿度的光纤超灵敏传感器的系统结构图。
图2是一种可测量液体质量与湿度的光纤超灵敏传感器的测量湿度光谱图。
图3是一种可测量液体质量与湿度的光纤超灵敏传感器的测量湿度的拟合图。
图4是一种可测量液体质量与湿度的光纤超灵敏传感器的测量质量的拟合图。
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1，2，3，4，一种可测量液体质量与湿度的光纤超灵敏传感器，由宽带光源（1），第一单模光纤（2），蝶形锥（3），第二单模光纤（4），光谱仪（5）组成，其特征在于：宽带光源（1）与第一单模光纤（2）的左端通过传输光纤连接，第一单模光纤（2）的右端与蝶形锥（3）的左端通过熔接机错位熔接，蝶形锥（3）的右端与第二单模光纤（4）的左端通过熔接机错位熔接，第二单模光纤（4）的右端与光谱仪（5）通过传输光纤连接；蝶形锥（3）锥区直径为80微米，锥区长度为95微米，其中心小球的直径为40微米；第一单模光纤（2）的右端与蝶形锥（3）的左端通过熔接机错位熔接，错位量为9微米；蝶形锥（3）的右端与第二单模光纤（4）的左端通过熔接机错位熔接，错位量为9微米。
本发明的工作原理是：宽带光源（1）发出的光经过传输光纤进入第一单模光纤（2），前行的光通过第一单模光纤（2）后经过错位处，此时的光分成两束在纤芯中传播的光以及在包层中传播的光，两束光前行至蝶形锥（3）处被重新耦合进纤芯，然后继续前向传播至错位处再次形成干涉，最终光束通过第二单模光纤（4）后经过传输光纤进入光谱仪（5）。
在具体环境工作的时候，由于湿度的增加，吸附在光纤上的水分增多，蝶形锥（3）周围区域被压弯，改变了光纤内干涉的条件，最终在光谱仪（5）中得到变化的信号。将光谱的峰值与相对湿度的数据进行拟合，得到关系式：
（3）
其中拟合优度R2=0.9503，说明关系式的拟合效果很好，可以使用。此时将检测得到的光谱的峰值强度代入关系式就能计算出相应的空气相对湿度。相对湿度检测范围为50%-85%。
在测量液体质量的时候， 往传感区均匀滴水，让留在传感区的水分随着时间自然蒸发，光纤被水分压弯的程度随着时间变化，观察记录光谱随着时间的变化，做出时间与光谱波谷强度的关系图。另外使用电子天平称量等量的水的质量，并记录水分随着时间蒸发的质量数值，做出关系图。将两者的结果进行结合最后得到残留在传感区的质量与光谱之间的关系表达式
（4）
其中拟合优度为R2=0.9867，传感器能够测量0~25mg的传感区残留液体质量。

Claims (4)

1.一种可测量液体质量与湿度的光纤超灵敏传感器，由宽带光源（1），第一单模光纤（2），蝶形锥（3），第二单模光纤（4），光谱仪（5）组成，其特征在于：宽带光源（1）与第一单模光纤（2）的左端通过传输光纤连接，第一单模光纤（2）的右端与蝶形锥（3）的左端通过熔接机错位熔接，蝶形锥（3）的右端与第二单模光纤（4）的左端通过熔接机错位熔接，第二单模光纤（4）的右端与光谱仪（5）通过传输光纤连接，宽带光源（1）发出的光经过传输光纤进入第一单模光纤（2），前行的光通过第一单模光纤（2）后经过错位处，此时的光分成两束在纤芯中传播的光以及在包层中传播的光，两束光前行至蝶形锥（3）处被重新耦合进纤芯，然后继续前向传播至错位处再次形成干涉，最终光束通过第二单模光纤（4）后经过传输光纤进入光谱仪（5），在测量湿度的时候，随着湿度增加，吸附在蝶形锥（3）上的水分越来越多，光纤被压弯，最终在光谱仪（5）中得到变化的信号，在测量液体质量的时候，随着残留在蝶形锥（3）上的水分越来越少，光纤被压弯的程度不断的变化，最终得到变化的信号。
2.根据权利要求1所述的一种可测量液体质量与湿度的光纤超灵敏传感器，其特征在于：蝶形锥（3）锥区直径为 80微米，锥区长度约为95微米，其中心小球的直径为 40微米。
3.根据权利要求1所述的一种可测量液体质量与湿度的光纤超灵敏传感器，其特征在于：第一单模光纤（2）的右端与蝶形锥（3）的左端通过熔接机错位熔接，错位量为9微米。
4.根据权利要求1所述的一种可测量液体质量与湿度的光纤超灵敏传感器，其特征在于：蝶形锥（3）的右端与第二单模光纤（4）的左端通过熔接机错位熔接，错位量为9微米。
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