CN109142271B - 一种结合蜘蛛包卵丝的光纤湿度传感器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光纤传感技术研究领域，具体涉及一种能够检测环境湿度的结合蜘蛛包卵丝的光纤传感器及其制作方法。光纤传感器包括光纤光源，输入、输出光纤，模式泄漏光纤，蜘蛛包卵丝，光功率探测器。输入光纤将光纤光源与模式泄漏光纤相连接，输出光纤将模式泄漏光纤另一端与光功率探测器相连接，蜘蛛包卵丝缠绕在模式泄漏光纤上。损耗光强与蜘蛛包卵丝材料的折射率有关，不同湿度下蜘蛛包卵丝折射率发生变化并改变损耗光强，监测光纤传感器透射光的功率变化值来实现对环境湿度的测量。本发明具有结构简单，易于制作，响应速度快，灵敏度高等优点，利用本专利的方法可以实现对环境湿度的测量，并将蜘蛛包卵丝作为一种湿度敏感材料用于光纤传感领域。

Description

一种结合蜘蛛包卵丝的光纤湿度传感器及其制作方法
技术领域
本发明属于光纤传感技术研究领域，具体涉及一种能够检测环境湿度的结合蜘蛛包卵丝的光纤传感器。
背景技术
光纤传感器以光信号作为传输载体，具有以下优点：不受电磁干扰、绝缘性能高、防爆性能好、耐腐蚀、导光性能优良、频带范围很宽、动态范围很大、便于复用、成本低等。光纤传感器在军事、企业、能源、工业、医药卫生等领域应用市场广阔。目前光纤传感器对温度、湿度、压力、流量、位移、磁场及辐射等物理量都实现了不同性能的传感。光纤传感器有多种分类方式，从信号的调制方式角度可以分为强度调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型，其中强度调制光纤传感器具有简单、可靠、经济等优点，得到了广泛研究者的青睐。
单根光纤上加工Mach-Zehnder干涉型光纤传感器有结构紧凑、制作方便等优点，可以用来测量折射率、应力、温度、湿度、转角等物理参量。2009年S.M.Tripathi等人综合研究了单模-多模-单模光纤结构的应变和温度传感特性。
2013年，N.Huby等人提出将蛛丝作为一种生物光纤，利用蜘蛛丝的导光性能实现了光的传输耦合。蜘蛛丝的光学性能与生物相容性，生物再吸收性，柔韧性和抗拉强度相结合，为生物介质和原始生物光子学目的的新应用铺平了道路。2015年，Kenny等人于第24届OFS会议上提出利用一些极性介质，如水蒸汽、乙酸、氨气等，会影响蜘蛛丝中传播光偏振态的特性，将蜘蛛丝作为一种天然纤维应用于生物传感。
传统光纤湿度传感器多采用在光纤表面涂覆高分子湿度敏感材料的方法进行湿度传感，这类材料如聚乙烯醇、醋酸纤维素、聚酸胺等，早在2006年Jesús M.Corres等人使用电稳定自组织锥形光纤进行湿度传感，其结构是将一段单模光纤从中间拉成锥形，并用对湿度敏感的复合材料做成均匀包层。2016年Shan Zhu等人利用原子层沉积，即ALD，技术，在锥形纤维周围均匀涂覆二氧化钛，即TiO2，纳米薄膜制造出高灵敏度折射率仪。与以上涂覆材料作为湿度感应核心部件的光纤湿度传感器不同，本专利将蜘蛛包卵丝作为一种湿度敏感材料，将其与光纤结合构成湿度传感器，蜘蛛丝作为一种生物材料，其易于修饰，对环境无毒，具有很好的化学稳定性与生物相容性，并且蜘蛛包卵丝内部含有大量的极性氨基酸，环境条件下可以吸附并吸收较多的水分，作为一种湿度敏感材料在光纤传感领域有着很大的研究价值与应用潜力。
发明内容
本发明的目的是提供一种结合蜘蛛包卵丝的能够检测环境湿度变化的光纤传感器。
本发明的目的是提供一种结合蜘蛛包卵丝的能够检测环境湿度变化的光纤传感器的制作方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种结合蜘蛛包卵丝的光纤湿度传感器包括光纤光源1，输入光纤2，模式泄漏光纤3，蜘蛛包卵丝4，光功率探测器5，输出光纤6；输入光纤2的一端与光纤光源1相连，输入光纤2的另一端与模式泄漏光纤3同轴熔接，输出光纤6与模式泄漏光纤3另一端同轴熔接，输出光纤6的另一端与光功率探测器5相连，蜘蛛包卵丝4缠绕在模式泄漏光纤3上，蜘蛛包卵丝4是一种天然的光学微腔并且蜘蛛包卵丝4对微腔外湿度变化敏感，蜘蛛包卵丝4折射率的大小受到环境湿度的影响，蜘蛛包卵丝4的折射率影响损耗光强的大小。所选用蜘蛛包卵丝4表面光滑，透光性良好，直径约10μm，内部含有大量空隙。所选用的模式泄漏光纤3其传输的模式通过倏逝场的形式泄漏耦合进入其缠绕的蜘蛛包卵丝4内，模式泄漏光纤3选用无芯光纤或空气孔光纤或阶跃多模光纤。所述蜘蛛包卵丝4的缠绕要满足倏逝场与蜘蛛包卵丝4微腔重叠，且满足光纤光场传播模式与蜘蛛包卵丝4微腔回音壁模式相匹配。对于蜘蛛包卵丝4微腔的某个特定的模式(l，m)，入射角需要满足：
Figure BDA0001731825290000021
其中l是角向模式数，代表回音壁模式场分布在微腔圆截面上的极大值数目，近似情况下l＝2πnsR/λ，ns为蜘蛛包卵丝4折射率(约为1.52)，R为微腔半径，m为方位角模式数，λ为波长。所缠绕的蜘蛛包卵丝4要有足够长度以建立起充足的微腔，且缠绕蜘蛛包卵丝4的间隔ΔL＝2dtanθ，其中d为模式泄漏光纤直径，θ为蜘蛛包卵丝4微腔的某个特定的模式(l，m)入射角。
一种结合蜘蛛包卵丝的光纤湿度传感器的制作方法包括以下步骤：
(1)取标准单模输入光纤2、单模输出光纤6，剥除光纤的涂覆层20～30mm，使用无纺布蘸取酒精擦拭至清洁并用光纤切割刀将端面切割平整；
(2)取一段无芯模式泄漏光纤3，直径为125μm，长度为1cm左右，使用光纤焊接机将单模输入光纤2、单模输出光纤6与无芯模式泄漏光纤3进行同轴焊接；
(3)蜘蛛包卵丝4的准备：使用实验室养殖的大腹圆蛛进行取丝，其包卵丝直径约为10μm，表面光滑，形状完好；
(4)缠绕蜘蛛包卵丝4：将焊接完成的单模-无芯-单模光纤两端用光纤夹具固定，并水平装载到一台进行同轴转动的旋转齿轮电机上，切取一段长度10cm左右的蜘蛛包卵丝4，在单模光纤与无芯光纤的焊接处点一小滴紫外固化胶用于固定蜘蛛包卵丝4的一端，并使另一端自然下垂，在自然下垂的蜘蛛包卵丝4末端黏贴一段1cm长度的胶带作为负重物使蜘蛛包卵丝4平稳并绷直，然后调节操作台角度，使得光纤与水平面夹角约为25°，此时开启电机，使光纤夹具同步自轴旋转，在自身重力与负重物的作用下蜘蛛包卵丝4就被均匀的缠绕在模式泄漏光纤3上，此时得到的蜘蛛包卵丝4之间的缠绕周期均为35μm左右，且通过调节光纤夹具与水平夹角来改变缠绕密度以制作不同周期密度的缠绕效果，等待电机平稳旋转30至50圈至蜘蛛包卵丝4完全缠绕在无芯模式泄漏光纤3区域后关闭电机，同样使用紫外固化胶固定蜘蛛包卵丝4末端，并将多余部分剪去。
本发明的有益效果在于：
1.提供一种新的湿度光纤传感器制作方法；
2.传感器结构简单，材料环保；
3.传感器响应速度快，灵敏度较高。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图。
图2为单模-无芯-单模光纤结构示意图。
图3为蜘蛛包卵丝缠绕效果示意图。
图4为装置原理图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明进行更为详细的论述：
本专利提供的是一种结合蜘蛛包卵丝与光纤Mach-Zehnder干涉结构的用于测试湿度的传感器，包括光纤光源1，光纤2(包括输入光纤和输出光纤)，模式泄漏光纤3，蜘蛛包卵丝4，光功率探测器5，光纤2的一端与光纤光源1连接，光纤2与模式泄漏光纤3之间同轴熔接，蜘蛛包卵丝4缠绕在模式泄漏光纤3上。模式泄漏光纤3中某一模式的光可以耦合到缠绕的蜘蛛包卵丝4中，在蜘蛛包卵丝4径向形成光学微腔循环传导产生损耗，损耗光强与蜘蛛包卵丝4材料的折射率有关，不同湿度下蜘蛛包卵丝4折射率发生变化并改变损耗光强，监测光纤传感器透射光的功率变化值来实现对环境湿度的测量。结合蜘蛛包卵丝的湿度传感器具有结构简单，易于制作，响应速度快，灵敏度高等优点，利用本专利的方法可以实现对环境湿度的测量，并将蜘蛛包卵丝作为一种湿度敏感材料用于光纤传感领域。
如图1所示本发明的光纤湿度传感器，包括光纤光源1，光纤2(包括输入光纤和输出光纤)，模式泄漏光纤3，蜘蛛包卵丝4，光功率探测器5。
本发明可以通过以下方式实现：
1、取两段标准单模光纤2，剥除光纤的涂覆层20～30mm，使用无纺布蘸取酒精擦拭至清洁并用光纤切割刀将端面切割平整。
2、如图2所示，取一段无芯光纤，直径为125μm，长度为1cm左右，使用光纤焊接机将两段单模光纤2与无芯光纤3进行同轴焊接。
3、蜘蛛包卵丝4的准备：使用实验室养殖的大腹圆蛛进行取丝，其包卵丝直径约为10μm，表面光滑，形状完好。
4、如图3所示缠绕蜘蛛包卵丝4：将焊接完成的单模-无芯-单模光纤两端用光纤夹具固定，并水平装载到一台可以进行同轴转动的旋转齿轮电机上，切取一段长度10cm左右的蜘蛛包卵丝，在单模光纤与无芯光纤的焊接处点一小滴紫外固化胶用于固定蜘蛛包卵丝的一端，并使另一端自然下垂，在自然下垂的蜘蛛包卵丝末端黏贴一段1cm长度的胶带作为负重物使蜘蛛包卵丝平稳并绷直，然后调节操作台角度，使得光纤与水平面夹角约为25°，此时开启电机，使光纤夹具同步自轴旋转，在自身重力与负重物的作用下蜘蛛包卵丝就被均匀的缠绕在光纤上，此时得到的蜘蛛包卵丝之间的缠绕周期均为35μm左右，且缠绕密度可以通过调节光纤夹具与水平夹角来改变以制作不同周期密度的缠绕效果，等待电机平稳旋转30至50圈至蜘蛛包卵丝完全缠绕在无芯光纤区域后关闭电机，同样使用紫外固化胶固定蜘蛛包卵丝末端，并将多余部分剪去。
5、此时即完成了传感结构的制作，如图1所示，将光纤光源1注入单模光纤2，在包卵丝的位置改变环境湿度，蜘蛛包卵丝吸收水分之后内部折射率发生变化，引起耦合光强变化，光功率探测器5读数同时变化，根据强度变化量可以计算出湿度的变化，因此该装置可以实现对湿度的传感。
一种结合蜘蛛包卵丝的光纤湿度传感器，其特征在于，包括光纤光源1，光纤2(包括输入光纤和输出光纤)，模式泄漏光纤3，蜘蛛包卵丝4，光功率探测器5，光纤2与模式泄漏光纤3两端同轴熔接，蜘蛛包卵丝4缠绕在模式泄漏光纤3上，蜘蛛包卵丝可以作为一种光学微腔，模式泄漏光纤3中某一模式的光可以以倏逝场的形式泄漏并耦合到缠绕的蜘蛛包卵丝中，在蜘蛛包卵丝径向形成光学微腔循环传导产生损耗，损耗光强与蜘蛛包卵丝材料的折射率有关，不同湿度下蜘蛛包卵丝折射率会发生变化并改变损耗光强，监测光纤传感器透射光的功率变化值来实现对环境湿度的测量。
所选用蜘蛛包卵丝需表面光滑，透光性良好，直径约10μm，内部含有大量空隙，环境湿度增加时会吸收空气中的水分并引起折射率改变。所选用的模式泄漏光纤3保证其传输的模式可以通过倏逝场的形式泄漏耦合进入其缠绕的蜘蛛包卵丝内，它可以是无芯光纤，空气孔光纤，阶跃多模光纤等。具有合适的输出波长，以确保在模式泄漏光纤3中激励起稳定传输的模式光场并能够被耦合进入蜘蛛包卵丝4中。
一种光纤湿度传感器，包括光纤光源1，光纤2(包括输入光纤和输出光纤)，模式泄漏光纤3，蜘蛛包卵丝4，光功率探测器5，光纤2与模式泄漏光纤3两端同轴熔接，蜘蛛包卵丝4缠绕在模式泄漏光纤3上，蜘蛛包卵丝可以作为一种光学微腔，模式泄漏光纤3中某一模式的光可以以倏逝场的形式泄漏并耦合到缠绕的蜘蛛包卵丝中，在蜘蛛包卵丝径向形成光学微腔循环传导产生损耗，损耗光强与蜘蛛包卵丝材料的折射率有关，不同湿度下蜘蛛包卵丝折射率会发生变化并改变损耗光强，监测光纤传感器透射光的功率变化值来实现对环境湿度的测量。
所述蜘蛛包卵丝4，其特征是：表面光滑，透光性良好，直径约10μm，内部含有大量空隙，环境湿度增加时会吸收空气中的水分并引起折射率改变。
所述模式泄漏光纤3，其特征是：保证其传输的模式可以通过倏逝场的形式泄漏耦合进入其缠绕的蜘蛛包卵丝内，它可以是无芯光纤，空气孔光纤，阶跃多模光纤。
所述的光纤光源1，其特征是，具有合适的输出波长，以确保在模式泄漏光纤3中激励起稳定传输的模式光场并能够被耦合进入蜘蛛包卵丝4中。
光学微谐振腔是一种能够将光场限制在极小空间区域内的光学结构，这种结构通常用作液体或气体浓度传感器，蜘蛛包卵丝可以看作一种天然的光学微腔并且对微腔外湿度变化敏感，因此可以用作湿度敏感材料进行传感研究。
如图4所示，蜘蛛包卵丝可以看作周期性排列在无芯光纤表面的一个个球形微腔，光在无芯光纤内表面发生全反射时可以通过光纤表面的倏逝场耦合进入蜘蛛包卵丝微腔内，并沿微腔内壁进行连续的全反射，从而产生回音壁模式(Whispering Gallery Mode，WGM)，为了使微腔内WGM高效激发，除了要满足倏逝场与微腔重叠，也要满足光纤光场传播模式与微腔WGM相匹配，不同模式对应不同的倏逝场耦合条件，因此在不同折射率下耦合进入蜘蛛包卵丝的模式不同，能量不同，而不同折射率下包卵丝中传输的光损耗也不同。
单模-无芯-单模光纤结构可以在无芯光纤中激发起入射光场的多种传播模式，不同模式对应不同的入射角θ，当光纤光场传播模式和微腔WGM匹配时光就能进入微腔，对于微腔的某个特定的模式(l，m)入射角需要满足：
Figure BDA0001731825290000051
其中l是角向模式数，代表WGM场分布在微腔圆截面上的极大值数目，近似情况下l＝2πnsR/λ，ns为蜘蛛丝折射率(约为1.52)，R为微腔半径，m＝(-l，-l+1，…，l)为方位角模式数。满足此条件的光场，一部分光强可以通过倏逝场进入微腔内部，而另一部分则发生全反射，周期性排列的蜘蛛丝微腔可以保证每一次全反射时都有一部分光耦合进入微腔，因此要缠绕足够长度的蜘蛛包卵丝建立起充足的微腔，保证该模式光场充分参与到微腔中的WGM中，并且要保证缠绕蜘蛛丝的间隔ΔL＝2dtanθ，其中d为模式泄漏光纤直径。
由于微腔存在辐射损耗和材料的吸收，腔内光场经过传播后减弱，且光场与微腔之间存在耦合系数，耦合系数与微腔的折射率，尺寸有关，湿度增加时环境中的水分会吸附并进入蜘蛛包卵丝内部，从而改变蜘蛛丝微腔的相对折射率，影响腔的品质因数并改变耦合系数，进而影响系统的最终出射光功率，例如当环境湿度增加时，水分进入蜘蛛包卵丝内部导致其折射率变大，光纤与蜘蛛丝微腔间的耦合系数增加，此时会有更多的光耦合进入蜘蛛丝微腔并最终泄露到外界，导致系统的最终出射光功率减小，通过监测透射光功率的改变，就可以得知被测环境湿度的变化。

Claims (2)

1.一种结合蜘蛛包卵丝的光纤湿度传感器，其特征在于：包括光纤光源(1)，单模输入光纤(2)，无芯模式泄漏光纤(3)，蜘蛛包卵丝(4)，光功率探测器(5)，单模输出光纤(6)；单模输入光纤(2)的一端与光纤光源(1)相连，单模输入光纤(2)的另一端与无芯模式泄漏光纤(3)同轴熔接，单模输出光纤(6)与无芯模式泄漏光纤(3)另一端同轴熔接，单模输出光纤(6)的另一端与光功率探测器(5)相连，蜘蛛包卵丝(4)缠绕在无芯模式泄漏光纤(3)上，蜘蛛包卵丝(4)是一种天然的光学微腔并且蜘蛛包卵丝(4)对微腔外湿度变化敏感，蜘蛛包卵丝(4)折射率的大小受到环境湿度的影响，蜘蛛包卵丝(4)的折射率影响损耗光强的大小；
所选用蜘蛛包卵丝(4)表面光滑，透光性良好，直径10μm，内部含有大量空隙；
所选用的无芯模式泄漏光纤(3)其传输的模式通过倏逝场的形式泄漏耦合进入其缠绕的蜘蛛包卵丝(4)内，无芯模式泄漏光纤(3)选用无芯光纤或空气孔光纤或阶跃多模光纤；
所述蜘蛛包卵丝(4)的缠绕要满足倏逝场与蜘蛛包卵丝(4)微腔重叠，且满足光纤光场传播模式与蜘蛛包卵丝(4)微腔回音壁模式相匹配；
对于蜘蛛包卵丝(4)微腔的某个特定的模式(l，m)，入射角需要满足：
Figure FDA0002725029460000011
其中l是角向模式数，代表回音壁模式场分布在微腔圆截面上的极大值数目，近似情况下l＝2πnsR/λ，ns为蜘蛛包卵丝(4)折射率，R为微腔半径，m为方位角模式数，λ为波长；
所缠绕的蜘蛛包卵丝(4)要有足够长度以建立起充足的微腔，且缠绕蜘蛛包卵丝(4)的间隔ΔL＝2dtanθ，其中d为模式泄漏光纤直径，θ为蜘蛛包卵丝(4)微腔的某个特定的模式(l，m)入射角。
2.一种如权利要求1所述的结合蜘蛛包卵丝的光纤湿度传感器的制作方法，其特征在于，本方法包括以下步骤：
①取标准单模输入光纤(2)、单模输出光纤(6)，剥除光纤的涂覆层20～30mm，使用无纺布蘸取酒精擦拭至清洁并用光纤切割刀将端面切割平整；
②取一段无芯模式泄露光纤(3)，直径为125μm，长度为1cm，使用光纤焊接机将单模输入光纤(2)、单模输出光纤(6)与无芯模式泄露光纤(3)进行同轴焊接；
③蜘蛛包卵丝(4)的准备：使用实验室养殖的大腹圆蛛进行取丝，其包卵丝直径为10μm，表面光滑，形状完好；
④缠绕蜘蛛包卵丝(4)：将焊接完成的单模-无芯-单模光纤两端用光纤夹具固定，并水平装载到一台进行同轴转动的旋转齿轮电机上，切取一段长度10cm的蜘蛛包卵丝(4)，在单模光纤与无芯光纤的焊接处点一小滴紫外固化胶用于固定蜘蛛包卵丝(4)的一端，并使另一端自然下垂，在自然下垂的蜘蛛包卵丝(4)末端黏贴一段1cm长度的胶带作为负重物使蜘蛛包卵丝(4)平稳并绷直，然后调节操作台角度，使得光纤与水平面夹角为25°，此时开启电机，使光纤夹具同步自轴旋转，在自身重力与负重物的作用下蜘蛛包卵丝(4)就被均匀的缠绕在无芯模式泄露光纤(3)上，此时得到的蜘蛛包卵丝(4)之间的缠绕周期均为35μm，且通过调节光纤夹具与水平夹角来改变缠绕密度以制作不同周期密度的缠绕效果，等待电机平稳旋转30至50圈至蜘蛛包卵丝(4)完全缠绕在无芯模式泄露光纤(3)区域后关闭电机，同样使用紫外固化胶固定蜘蛛包卵丝(4)末端，并将多余部分剪去。
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