CN109142277A - 一种结合蜘蛛包卵丝的光纤湿度传感器及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤传感器领域，公开了一种结合蜘蛛包卵丝的光纤湿度传感器及制作方法，包含宽谱光源，环形器，单芯双孔光纤，蜘蛛包卵丝和光谱分析仪；蜘蛛包卵丝为单根U形。环形器具有端口①、端口②和端口③，宽谱光源的输出端与环形器的端口①耦合；蜘蛛包卵丝的两端嵌入单芯双孔光纤的双孔之中，单芯双孔光纤的另一端与环形器的端口②连接，环形器的端口③与光谱分析仪的输入端连接。本发明利用了蜘蛛包卵丝水分亲和力强，易于修饰，化学稳定性与生物相容性好的特点，将蜘蛛包卵丝用于湿度测量，使得湿度传感器响应速度快，灵敏度高，更适应极端环境下的湿度测量。

Description

一种结合蜘蛛包卵丝的光纤湿度传感器及制作方法

技术领域

本发明属于光纤传感器领域，尤其涉及一种结合蜘蛛包卵丝的光纤湿度传感器及制作方法。

背景技术

光纤传感器以光信号作为传输载体，具有不受电磁干扰、绝缘性能高、耐腐蚀、导光性能优良等优点，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。从信号的调制方式角度光纤传感器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。相位调制型光纤传感器是指利用光波相位变化来探测各个外界物理参量的变化量。目前应用比较广泛的光纤干涉仪主要有Mach-Zehnde光纤干涉仪、Michelson光纤干涉仪、Fabry-Perot光纤干涉仪、Sagnac光纤干涉仪等。

Fabry-Perot干涉仪是由法国物理学家C.Fabry和A.Perot在1897年发明的，其原理是多光束干涉，光纤的两个反射面构成一个一定长度的空腔，当传输光通过空腔时，会在两个反射平面形成多光束干涉现象，继而形成强度周期变化的干涉条纹。光纤Fabry-Perot传感器对两个反射镜之间的光程波动非常敏感，外界的温度、压力、应变、折射率、电流、电压和磁场对空腔内传输光的相位产生影响，导致干涉图样发生变化，通过监测干涉光谱的变化，即可实现对所加外界参量信息的解调。

2013年，N.Huby等人在AppliedPhysicsLetters,2013,102(12):4145-4149，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。

通常用于检测湿度的光纤Fabry-Perot干涉传感器是通过在构成传感器探针的光纤尖端上沉积亲水涂层材料，对于这种传感结构，材料的吸水能力对传感器性能起着至关重要的作用，这类材料例如聚乙烯醇、全氟磺酸、壳聚糖、琼脂糖等，均由于较好的亲水性或膨胀效应而被用于湿度传感研究。蜘蛛包卵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

本发明的目的在于公开灵敏度高，响应速度快的一种结合蜘蛛包卵丝的光纤湿度传感器及制作方法。

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，包括宽谱光源1，环形器2，单芯双孔光纤3，蜘蛛包卵丝4和光谱分析仪5；蜘蛛包卵丝4为单根U形。环形器2具有端口①、端口②和端口③，宽谱光源1的输出端与环形器2的端口①耦合；蜘蛛包卵丝4的两端嵌入单芯双孔光纤3的双孔之中，单芯双孔光纤3的另一端与环形器2的端口②连接，环形器2的端口③与光谱分析仪5的输入端连接。

一种结合蜘蛛包卵丝的光纤湿度传感器制作方法，包含如下步骤：

步骤(1)：取一段单芯双孔光纤，剥除光纤两端的涂覆层，使用无纺布蘸取酒精擦拭光纤外包层，并用光纤切割刀将端面切割平整，固定在载玻片上，并使端面伸出玻片一定长度；

步骤(2)：蜘蛛丝的准备：取形态良好的蜘蛛丝，要求蜘蛛丝直径稳定，表面光滑，形状完好；

步骤(3)：嵌入蜘蛛包卵丝：取一段长度的蜘蛛包卵丝打成U形，使蜘蛛包卵丝宽度契合单芯双孔光纤双孔间距，将蜘蛛包卵丝末端朝外固定在微操台上，在显微镜下靠近单芯双孔光纤的端面，并观察两者间距以及宽度是否匹配，调整蜘蛛包卵丝两端宽度直至可以嵌入光纤双孔中，待其两端都顺利嵌入后从微操台取下蜘蛛包卵丝，并轻推蜘蛛包卵丝直至观察到光纤端面外只留一部分环状结构正对纤芯部分，并将制作好的光纤用玻片进行封装固定，此时在蜘蛛包卵丝的前后两个直径面上形成FP腔；

步骤(4)：使用光纤焊接机，将单芯双孔光纤的另一端与环形器端口②进行焊接，环形器端口①连接光隔离器，端口③连接光谱分析仪；

步骤(5)：宽谱光源通光后，在光谱分析仪上检测到蜘蛛包卵丝FP的干涉光谱，在包卵丝的位置改变湿度，蜘蛛包卵丝吸收水分之后内部折射率发生变化，引起FP腔发生变化，光谱分析仪上的光谱同时变化，根据光谱的漂移可以计算出湿度的变化。

本发明的有益效果为：

本发明利用了蜘蛛包卵丝水分亲和力强，易于修饰，化学稳定性与生物相容性好的特点，将蜘蛛包卵丝用于湿度测量，使得湿度传感器响应速度快，灵敏度高，更适应极端环境下的湿度测量。

附图说明

图1是一种结合蜘蛛包卵丝的光纤湿度传感器示意图；

图2是蜘蛛包卵丝和单芯双孔光纤的连接方式示意图；

图3是蜘蛛包卵丝和单芯双孔光纤形成干涉腔的光路示意图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步描述本发明：

如图1，一种结合蜘蛛包卵丝的光纤湿度传感器，包括宽谱光源1，环形器2，单芯双孔光纤3，蜘蛛包卵丝4和光谱分析仪5；环形器2具有端口①、端口②和端口③，宽谱光源1的输出端与环形器2的端口①耦合；如图2，蜘蛛包卵丝4的两端嵌入单芯双孔光纤3的双孔之中，单芯双孔光纤3的另一端与环形器2的端口②连接，环形器2的端口③与光谱分析仪5的输入端连接。蜘蛛包卵丝4为单根U形。

一种结合蜘蛛包卵丝的光纤湿度传感器制作方法，包含如下步骤：

步骤(1)：取一段单芯双孔光纤，剥除光纤两端的涂覆层，使用无纺布蘸取酒精擦拭光纤外包层，并用光纤切割刀将端面切割平整，固定在载玻片上，并使端面伸出玻片一定长度；

步骤(2)：蜘蛛丝的准备：取形态良好的蜘蛛丝，要求蜘蛛丝直径稳定，表面光滑，形状完好；

步骤(3)：嵌入蜘蛛包卵丝：取一段长度的蜘蛛包卵丝打成U形，使蜘蛛包卵丝宽度契合单芯双孔光纤双孔间距，将蜘蛛包卵丝末端朝外固定在微操台上，在显微镜下靠近单芯双孔光纤的端面，并观察两者间距以及宽度是否匹配，调整蜘蛛包卵丝两端宽度直至可以嵌入光纤双孔中，待其两端都顺利嵌入后从微操台取下蜘蛛包卵丝，并轻推蜘蛛包卵丝直至观察到光纤端面外只留一部分环状结构正对纤芯部分，并将制作好的光纤用玻片进行封装固定，如图3，此时在蜘蛛包卵丝的前后两个直径面上形成FP腔；

步骤(4)：使用光纤焊接机，将单芯双孔光纤的另一端与环形器端口②进行焊接，环形器端口①连接光隔离器，端口③连接光谱分析仪；

步骤(5)：宽谱光源通光后，在光谱分析仪上检测到蜘蛛包卵丝FP的干涉光谱，在包卵丝的位置改变湿度，蜘蛛包卵丝吸收水分之后内部折射率发生变化，引起FP腔发生变化，光谱分析仪上的光谱同时变化，根据光谱的漂移可以计算出湿度的变化。

实施例1：

一种结合蜘蛛包卵丝的光纤湿度传感器制作方法，包含如下步骤：

步骤(1)：取一段单芯双孔光纤，剥除光纤两端的涂覆层，使用无纺布蘸取酒精擦拭光纤外包层，并用光纤切割刀将端面切割平整，固定在载玻片上，并使端面伸出玻片约2mm长度；

步骤(2)：蜘蛛丝的准备：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；

步骤(3)：嵌入蜘蛛包卵丝：取一段长度约为5mm的蜘蛛包卵丝打成U形，使蜘蛛包卵丝宽度契合单芯双孔光纤双孔间距约为10-30um，将蜘蛛包卵丝末端朝外固定在微操台上，在显微镜下靠近单芯双孔光纤的端面，并观察两者间距以及宽度是否匹配，调整蜘蛛包卵丝两端宽度直至可以嵌入光纤双孔中，待其两端都顺利嵌入后从微操台取下蜘蛛包卵丝，并轻推蜘蛛包卵丝直至观察到光纤端面外只留一部分环状结构正对纤芯部分，并将制作好的光纤用玻片进行封装固定，如图3，此时在蜘蛛包卵丝的前后两个直径面上形成FP腔；

步骤(4)：使用光纤焊接机，将单芯双孔光纤的另一端与环形器端口②进行焊接，环形器端口①连接光隔离器，端口③连接光谱分析仪；

步骤(5)：宽谱光源通光后，在光谱分析仪上检测到蜘蛛包卵丝FP的干涉光谱，在包卵丝的位置改变湿度，蜘蛛包卵丝吸收水分之后内部折射率发生变化，引起FP腔发生变化，光谱分析仪上的光谱同时变化，根据光谱的漂移可以计算出湿度的变化。

工作时，当传输光通过蜘蛛包卵丝微腔时，会在两个反射面形成干涉，蜘蛛包卵丝微腔折射率会随湿度变化而变化，监测反射光谱的变化就可以实现对环境湿度的测量。从纤芯发出的光在蜘蛛包卵丝两反射面间产生的光程差Δ＝2dn_s，其中d为蜘蛛包卵丝干涉腔直径，n_s为蜘蛛包卵丝折射率，约为1.53，对应的相位差φ＝2πΔ/λ，λ为入射光波长，当外界湿度增加时，空气中的水分会进入蜘蛛包卵丝内部，使蜘蛛包卵丝的折射率n_s也发生变化，并最终造成光谱分布的改变，从而达到湿度测量的目的。

以上所述并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (3)

1.一种结合蜘蛛包卵丝的光纤湿度传感器，其特征在于：包括宽谱光源(1)，环形器(2)，单芯双孔光纤(3)，蜘蛛包卵丝(4)和光谱分析仪(5)；环形器(2)具有端口①、端口②和端口③，宽谱光源(1)的输出端与环形器(2)的端口①耦合；蜘蛛包卵丝(4)的两端嵌入单芯双孔光纤(3)的双孔之中，单芯双孔光纤(3)的另一端与环形器(2)的端口②连接，环形器(2)的端口③与光谱分析仪(5)的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种结合蜘蛛包卵丝的光纤湿度传感器，其特征在于：所述的蜘蛛包卵丝(4)为单根U形。

3.一种结合蜘蛛包卵丝的光纤湿度传感器及制作方法，其特征在于：包含如下步骤：

步骤(1)：取一段单芯双孔光纤，剥除光纤两端的涂覆层，使用无纺布蘸取酒精擦拭光纤外包层，并用光纤切割刀将端面切割平整，固定在载玻片上，并使端面伸出玻片一定长度；

步骤(2)：蜘蛛丝的准备：取形态良好的蜘蛛丝，要求蜘蛛丝直径稳定，表面光滑，形状完好；

步骤(3)：嵌入蜘蛛包卵丝：取一段长度的蜘蛛包卵丝打成U形，使蜘蛛包卵丝宽度契合单芯双孔光纤双孔间距，将蜘蛛包卵丝末端朝外固定在微操台上，在显微镜下靠近单芯双孔光纤的端面，并观察两者间距以及宽度是否匹配，调整蜘蛛包卵丝两端宽度直至可以嵌入光纤双孔中，待其两端都顺利嵌入后从微操台取下蜘蛛包卵丝，并轻推蜘蛛包卵丝直至观察到光纤端面外只留一部分环状结构正对纤芯部分，并将制作好的光纤用玻片进行封装固定，此时在蜘蛛包卵丝的前后两个直径面上形成FP腔；

步骤(4)：使用光纤焊接机，将单芯双孔光纤的另一端与环形器端口②进行焊接，环形器端口①连接光隔离器，端口③连接光谱分析仪；

步骤(5)：宽谱光源通光后，在光谱分析仪上检测到蜘蛛包卵丝FP的干涉光谱，在包卵丝的位置改变湿度，蜘蛛包卵丝吸收水分之后内部折射率发生变化，引起FP腔发生变化，光谱分析仪上的光谱同时变化，根据光谱的漂移可以计算出湿度的变化。