CN110207760A - 同时检测温度与湿度的光纤传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了同时检测温度与湿度的光纤传感器，属于光纤传感技术领域，包括普通单模光纤，该普通单模光纤芯层为普通单模光纤纤芯；在普通单模光纤上设置裸芯区域，露出普通单模光纤纤芯；在裸芯区域上覆盖金膜，在金膜上覆盖PDMS膜，形成基于等离子体共振的温度传感器；普通单模光纤一侧端面与空芯光子晶体光纤一侧的端面熔接，形成基于法布里‑珀罗干涉的检测湿度传感器。本发明还公开了其制备方法。本发明制作普通单模光纤一定长度的裸芯区域，并在裸芯区域涂覆金膜，在金膜上涂覆PDMS膜，形成基于等离子体共振的温度传感器部分，普通单模光纤与空芯光子晶体光纤进行熔接，并在空芯光子晶体光纤的右端面涂覆PVA膜，形成F‑P腔，形成基于法布里—珀罗干涉仪的气体检测传感器；其制备方法简单，成本低。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及同时检测温度与湿度的光纤传感器及其制备方法。
背景技术
在现代工业、农业、气象等部门，需要对环境的温度与湿度进行监测。随着通讯技术与光纤技术的迅速发展，光纤传感技术作为新型技术也随之兴起。光纤传感技术与传统的传感技术相比，光纤传感器具有体积小、抗干扰能力强以及能在恶劣环境下运行等优点。
表面等离子体共振是一种特殊的光学现象，当光波在一个侧面镀有金属薄膜的棱镜中传播，并在棱镜侧面发生全反射时，光波中的P偏振分量就会贯穿金属层，在此过程中和自由电子相互影响，产生和金属薄膜平行的表面等离子波。光纤法珀传感器输出信号与微腔的腔长有关，在外力的作用下，传感器的腔长发生变化，干涉输出信号也因此发生变化，由此可得到腔长，以及外界参量的变化，实现各种参量的传感。
公开号为CN207540970U的专利申请中公开了一种基于氧化石墨烯镀层光纤的湿度传感器，此传感器主要由三段光纤相错位形成的M-Z干涉仪结构，在中间光纤表面涂覆上氧化石墨烯。氧化石墨烯的折射率随着环境的湿度变化而变化，通过光谱波长的移动测得传感器的湿度灵敏度；但其具有复杂结构、不能同时多测的缺陷。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供同时检测温度与湿度的光纤传感器，基于等离子共振(SPR)与法布里-珀罗干涉(F-P)，可同时测量温度与湿度，结构简单、灵敏度高；本发明的另一目的是提供其制备方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
同时检测温度与湿度的光纤传感器，包括普通单模光纤，该普通单模光纤芯层为普通单模光纤纤芯；在所述的普通单模光纤上设置裸芯区域，露出普通单模光纤纤芯；在所述的裸芯区域上覆盖金膜，在金膜上覆盖PDMS膜，形成基于等离子体共振的温度传感器；所述的普通单模光纤一侧端面与空芯光子晶体光纤一侧的端面熔接，形成基于法布里－珀罗干涉的检测湿度传感器。
进一步地，在所述的空芯光子晶体光纤另一侧端面设置PVA膜，形成F-P腔。
进一步地，所述的裸芯区域沿普通单模光纤轴向的长度为15～20mm。
进一步地，所述的金膜的厚度为30～40nm。
进一步地，所述的PDMS膜的厚度为10～15μm。
所述的同时检测温度与湿度的光纤传感器的制备方法，包括如下步骤：
1)切取普通单模光纤，两端切平；选取普通单模光纤的中间15mm～20mm的部分，去除涂覆层和包层，形成裸芯区域，得到处理过的普通单模光纤；将处理过的普通单模光纤放置到酒精溶液中，并用超声波清洗机进行清洗，以此保证步骤2)中需要镀膜的区域干净；
2)超声波清洗机处理过的普通单模光纤放在等离子溅射仪中先镀制30～40nm厚度的金膜，取出镀完膜的普通单模光纤，将PDMS混合液涂覆到镀完金膜的上面，厚度为10～15μm，加热固化；
3)先去除空芯光子晶体光纤的涂覆层，用光纤切割刀进行切割，截取空芯光子晶体光纤，两端切平；
4)清洗涂覆的空芯光子晶体光纤端面，利用垂直提拉涂覆机对空芯光子晶体光纤的一侧端面进行涂覆；
5)利用光纤熔接机对普通单模光纤与空芯光子晶体光纤另一端进行熔接。手动调节普通单模光纤纤芯与空芯光子晶体光纤的中心进行对准，按下ARC按键，进行放电，光纤熔接机开始熔接，光纤相向移动，完成普通单模光纤与空芯光子晶体光纤的熔接。
进一步地，步骤2)中，所述的PDMS混合液制备方法为：按照10：1的比例将液态硅油与道康宁SYLGARD184硅橡胶固化剂混合，并在室温下进行缓慢搅拌，放置20～30min；然后使用真空搅拌机分离以至产生大量的气泡，并进行充分的搅拌，直到搅拌到没有气泡为止。
进一步地，步骤2)中，所述的加热固化是在放置恒温干燥箱中加热固化，加热温度为55～65℃，加热1.5～2h。
进一步地，步骤4)中，先将空芯光子晶体光纤固定在载玻片上，然后垂直插入调制好的PVA溶液中，设置提拉速度为350～400nm/s，提拉三次，并且设置干燥的温度范围为55～65℃，干燥时间为1.5～2h，最后等待PVA膜自然冷却。
进一步地，所述的PVA溶液的制备方法为：首先取5g的PVA絮状固体与100ml的去离子水混合，配置5％的PVA水溶液，先将PVA水溶液放置振荡器上振荡25～30min，随后将PVA水溶液放置搅拌机上，将搅拌机温度调至110～120℃，在加热的同时进行搅拌，持续搅拌，直至PVA絮状固体消失为止，得到需要的PVA溶液。
有益效果：与现有技术相比，本发明的一种同时检测温度与湿度的光纤传感器，制作普通单模光纤一定长度的裸芯区域，并在裸芯区域涂覆金膜，在金膜上涂覆PDMS膜，形成基于等离子体共振的温度传感器部分，其构成结构简单制作工艺简单，成本低；普通单模光纤与空芯光子晶体光纤进行熔接，并在空芯光子晶体光纤的右端面涂覆PVA膜，形成F-P腔，形成基于法布里—珀罗干涉仪的气体检测传感器，其制备方法简单，可降低传输损耗，提高灵敏度。
附图说明
图1为同时检测温度与湿度的光纤传感器的纵向剖视图；
图2为同时检测温度与湿度的光纤传感器的模型图；
附图标记分别为，1-普通单模光纤包层，2-普通单模光纤纤芯，3-PDMS膜，4-金膜，5-空芯光子晶体光纤，6-PVA膜。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明做进一步的说明。
本发明可以通过如下方式实现：
入射光源通过本发明传感器，通过普通单模光纤1上涂覆金膜4与PDMS膜3的区域，激发SPR现象，反射光传入光谱仪。PDMS膜3折射率随温度产生变化，SPR透射光谱随之变化，将温度的变化转化为共振波长的变化，实现对温度的传感。
入射光源通过空芯光子晶体光纤5与PVA膜6形成的F-P腔区域，反射光源传入光谱仪。湿度发生改变，引发PVA膜6膨胀，导致F-P腔的腔长改变。腔长的不同，光谱分布不同，波峰位置随腔长的改变而发生改变，通过峰值解调完成对湿度的传感。
实施案例：
一种同时检测温度与湿度的光纤传感器包括：普通单模光纤1、涂覆在普通单模光纤纤芯2上面的金膜4与PDMS膜3(聚二甲基硅氧烷)、空芯光子晶体光纤5、涂覆在空芯光子晶体光纤5右侧端面的PVA膜6(聚乙烯醇)。
普通单模光纤1将中间一段剥去包层，在普通单模光纤纤芯2上均匀镀上一层金膜4，在金膜4外涂覆一层温度敏感材料PDMS膜3(聚二甲基硅氧烷)，形成在线传输式SPR传感器，达到对温度的测量目的。
选用空芯光子晶体光纤5，其可以降低传输损耗，反射率相比空芯光纤或者毛细管要高，将普通单模光纤1的右端面与空芯光子晶体光纤5的左端面进行熔接。
选取湿度敏感材料聚乙烯醇PVA，其容易制作成膜，物理特性稳定，PVA可以很快吸收水分，与所测环境的湿度达到平衡。在空芯光子晶体光纤5的右端面涂覆湿度敏感材料PVA，即PVA膜6，膜厚为20μm～30μm，形成F-P腔。PVA吸水溶胀，改变F-P腔的腔长，从而达到对相对湿度测量的目的。
一种同时检测温度与湿度的光纤传感器探头，分为两部分，第一部分是基于等离子体共振的温度传感器，第二部分是基于法布里－珀罗干涉的检测湿度传感器。
一种同时检测温度与湿度的光纤传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：普通单模光纤1固定区域制作裸芯
用切割刀切取一定长度的普通单模光纤1，两端切平；选取普通单模光纤1的中间15mm～20mm的一部分，利用剥线钳将此区域的涂覆层和包层去除，形成裸芯区域，得到处理过的普通单模光纤1；将处理过的普通单模光纤1放置到酒精溶液中，并用超声波清洗机进行清洗，以此保证步骤二中需要镀膜的区域干净；
制备PDMS溶液：按照10：1的比例将液态硅油与道康宁SYLGARD184硅橡胶固化剂混合，并在室温下进行缓慢搅拌，放置20～30min。然后使用真空搅拌机分离以至产生大量的气泡，并进行充分的搅拌，直到搅拌到没有气泡为止。
制备PVA溶液：首先取5g的PVA絮状固体与100ml的去离子水混合，配置5％的PVA水溶液，先将PVA水溶液放置振荡器上振荡25～30min，随后将PVA水溶液放置搅拌机上，将搅拌机温度调至110～120℃，在加热的同时进行搅拌，持续搅拌，直至PVA絮状固体消失为止，这就可以得到需要的PVA溶液；
步骤二：超声波清洗机处理过的普通单模光纤1放在等离子溅射仪中先镀制30～40nm厚度的金膜4，取出镀完膜的光纤，将PDMS混合液涂覆到镀完金膜4的上面形成PDMS膜3，厚度为10～15μm，放置恒温干燥箱中加热固化，加热温度为55～65℃，加热1.5～2h；
步骤三：先去除空芯光子晶体光纤5的涂覆层，用光纤切割刀进行切割，截取一定长度的空芯光子晶体光纤5，两端要切平；
步骤四：涂覆PVA膜6，膜厚为20μm～30μm。
首先需要清洗涂覆的端面，利用垂直提拉涂覆机对空芯光子晶体光纤5的一侧端面进行涂覆。先将空芯光子晶体光纤5固定在载玻片上，然后垂直插入调制好的PVA溶液中，设置提拉速度为350～400nm/s，提拉三次，并且设置干燥的温度范围为55～65℃，干燥时间为1.5～2h，最后等待PVA膜6自然冷却，膜厚为20μm～30μm。
步骤五：利用光纤熔接机对普通单模光纤1与空芯光子晶体光纤5另一端进行熔接。手动调节普通单模光纤纤芯2与空芯光子晶体光纤5的中心进行对准，按下ARC按键，进行放电，光纤熔接机开始熔接，光纤相向移动，完成普通单模光纤与空芯光子晶体光纤的熔接。
Claims (10)
1.同时检测温度与湿度的光纤传感器，其特征在于：包括普通单模光纤(1)，该普通单模光纤(1)芯层为普通单模光纤纤芯(2)；在所述的普通单模光纤(1)上设置裸芯区域，露出普通单模光纤纤芯(2)；在所述的裸芯区域上覆盖金膜(4)，在金膜(4)上覆盖PDMS膜(3)，形成基于等离子体共振的温度传感器；所述的普通单模光纤(1)一侧端面与空芯光子晶体光纤(5)一侧的端面熔接，形成基于法布里－珀罗干涉的检测湿度传感器。
2.根据权利要求1所述的同时检测温度与湿度的光纤传感器，其特征在于：在所述的空芯光子晶体光纤(5)另一侧端面设置PVA膜(6)，形成F-P腔。
3.根据权利要求1所述的同时检测温度与湿度的光纤传感器，其特征在于：所述的裸芯区域沿普通单模光纤(1)轴向的长度为15～20mm。
4.根据权利要求1所述的同时检测温度与湿度的光纤传感器，其特征在于：所述的金膜(4)的厚度为30～40nm。
5.根据权利要求1所述的同时检测温度与湿度的光纤传感器，其特征在于：所述的PDMS膜(3)的厚度为10～15μm。
6.权利要求1-5中任意一项所述的同时检测温度与湿度的光纤传感器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)切取普通单模光纤(1)，两端切平；选取普通单模光纤(1)的中间15mm～20mm的部分，去除涂覆层和包层，形成裸芯区域，得到处理过的普通单模光纤(1)；
2)超声波清洗机处理过的普通单模光纤(1)放在等离子溅射仪中先镀制30～40nm厚度的金膜(4)，取出镀完膜的普通单模光纤(1)，将PDMS混合液涂覆到镀完金膜(4)的上面，厚度为10～15μm，加热固化；
3)先去除空芯光子晶体光纤(5)的涂覆层，用光纤切割刀进行切割，截取空芯光子晶体光纤(5)，两端切平；
4)清洗涂覆的空芯光子晶体光纤(5)端面，利用垂直提拉涂覆机对空芯光子晶体光纤(5)的另一侧端面设置PVA膜(6)，形成F-P腔；
5)利用光纤熔接机对普通单模光纤(1)与空芯光子晶体光纤(5)另一端进行熔接，完成普通单模光纤与空芯光子晶体光纤的熔接。
7.根据权利要求6所述的同时检测温度与湿度的光纤传感器的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述的PDMS混合液制备方法为：按照10：1的比例将液态硅油与道康宁SYLGARD184硅橡胶固化剂混合，并在室温下进行缓慢搅拌，放置20～30min；然后使用真空搅拌机分离以至产生大量的气泡，并进行充分的搅拌，直到搅拌到没有气泡为止。
8.根据权利要求6所述的同时检测温度与湿度的光纤传感器的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述的加热固化是在放置恒温干燥箱中加热固化，加热温度为55～65℃，加热1.5～2h。
9.根据权利要求6所述的同时检测温度与湿度的光纤传感器的制备方法，其特征在于：步骤4)中，先将空芯光子晶体光纤(5)固定在载玻片上，然后垂直插入调制好的PVA溶液中，设置提拉速度为350～400nm/s，提拉三次，并且设置干燥的温度范围为55～65℃，干燥时间为1.5～2h，最后等待PVA膜(6)自然冷却。
10.根据权利要求9所述的同时检测温度与湿度的光纤传感器的制备方法，其特征在于：所述的PVA溶液的制备方法为：首先取5g的PVA絮状固体与100ml的去离子水混合，配置5％的PVA水溶液，先将PVA水溶液放置振荡器上振荡25～30min，随后将PVA水溶液放置搅拌机上，将搅拌机温度调至110～120℃，在加热的同时进行搅拌，持续搅拌，直至PVA絮状固体消失为止，得到需要的PVA溶液。
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