CN110873701B - 一种基于马赫-曾德干涉仪的光纤湿度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于马赫‑曾德干涉仪的光纤湿度传感器，包括：依次连接的入射光纤、分束器、调制臂、合束器和出射光纤；所述入射光纤，用于输入光信号；所述分束器，用以使得从入射光纤输入的光信号分束为两路光信号；所述调制臂，包含传输两路光信号的第一调制臂和第二调制臂，用于形成传输波导以筛选不同的光波传输模式；所述合束器，用以使经过所述调制臂的两路光信号耦合到出射光纤中；所述出射光纤，用于输出耦合的光信号；且所述分束器和所述合束器，均为双锥形，且表面涂覆有氧化石墨烯膜。本发明具有低成本、高灵敏度、高稳定性的优势。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感器技术领域，尤其是涉及一种基于马赫-曾德干涉仪的光纤湿度传感器。
背景技术
由于需要在结构健康监测，农业，食品加工和储存，电子制造和其他领域快速准确地测量湿度，因此出现了湿度传感器。电子湿度传感器具有许多缺点，例如低灵敏度，可燃性和易腐蚀性。因此，迫切需要研究安全稳定的传感器。近年来，光纤湿度传感器由于其高灵敏度，抗电磁干扰，耐腐蚀性和结构简单而得到了广泛的研究。目前，已经提出了各种结构纤维湿度传感器，例如涂有二脲的纤维布拉格光栅(FBG)，涂有聚合物的FBG，不对称的U形微纤维(MF)用聚乙烯醇(PVA)覆盖层，用PVA沉积的单模侧抛光纤维，涂有氧化锌(ZnO)纳米棒的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微纤维环形谐振器，裸光纤纤芯涂有CoCl2掺杂的聚合物薄膜，包层蚀刻的单模光纤(CE-SMF)涂有氧化锡薄膜(SnO2)，亲水凝胶(琼脂糖)沉积在双锥形单模光纤的较薄区域，无芯纤维涂有羟乙基纤维素(HEC)和聚偏二氟乙烯(PVDF)。
现有基于马赫-曾德干涉仪的光纤湿度传感器，都是通过传感臂感知外界环境，引起参考臂和传感臂之间的相位差，导致干涉仪干涉波谷的波长移动。利用光谱分析仪检测设备，探测波长的变化量，从而反推出外界的湿度变化。由于光谱仪等波长检测设备价格较为昂贵，因此这类传感器的成本较高，其实际应用受到了限制。
发明内容
有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种基于马赫-曾德干涉仪的光纤湿度传感器，相比于传统该类湿度传感器，具有低成本、高灵敏度、高稳定性的优势。
本发明提供一种基于马赫-曾德干涉仪的光纤湿度传感器，包括：依次连接的入射光纤、分束器、调制臂、合束器和出射光纤；
所述入射光纤，用于输入光信号；
所述分束器，用以使得从入射光纤输入的光信号分束为两路光信号；
所述调制臂，包含传输两路光信号的第一调制臂和第二调制臂，用于形成传输波导以筛选不同的光波传输模式；
所述合束器，用以使经过所述调制臂的两路光信号耦合到出射光纤中；
所述出射光纤，用于输出耦合的光信号；
且所述分束器和所述合束器，均为双锥形，且表面涂覆有氧化石墨烯膜。
所述分束器和所述合束器的大小相同。
所述分束器和所述合束器，均包括单模光纤、细芯光纤拼接后并拉锥处理，并均匀地在锥形区域表面涂覆有氧化石墨烯膜。
所述调制臂包括有细芯光纤；所述调制臂的第一调制臂由细芯光纤中的包层组成，所述第二调制臂由细芯光纤中的纤芯组成；且第一调制臂与第二调制臂的长度相等。
所述入射光纤为单模光纤，由纤芯传输光信号。
所述出射光纤为单模光纤，由纤芯输出光信号。
本发明实施例技术方案，采通过改变锥形区域的折射率差，可以实现波长的移动，就可以反推出外界湿度的变化，从而达到传感的目的。本发明所述的基于双锥形马赫-曾德干涉仪的光纤湿度传感器具有低成本、高灵敏度、高稳定性的特点。
附图说明
图1是基于马赫-曾德干涉仪的光纤湿度传感器的传感头结构示意图；
图2是基于马赫-曾德干涉仪的光纤湿度传感器透射谱波谷强度随环境湿度的变化；
图3是基于马赫-曾德干涉仪的光纤湿度传感器干涉光谱波谷波长随相对湿度的变化；
图4是基于马赫-曾德干涉仪的光纤湿度传感器稳定性；
其中：1、入射光纤；21、氧化石墨烯薄膜；22、分束器；31、第一调制臂；32、第二调制臂；41、氧化石墨烯薄膜；42、合束器；5、出射光纤。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述。基于本发明中的操作流程和加强方法，本领域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工具，都属于本发明保护的范围。
一种基于双锥形马赫-曾德干涉仪的光纤湿度传感器，如图1所示，包括：
入射光纤1，该光纤用以输入光信号；
分束器22，作为一种优选的技术方案，所述的分束器为单模光纤与细芯光纤拼接后拉锥并在锥形区域涂覆有氧化石墨烯涂层21，锥形区域最小直径大约为45μm，长度大约为5mm，其与入射光纤和调制臂连接，使得从入射光纤中进来的光信号经过分束器耦合到马赫-曾德结构中。
第一调制臂31与第二调制臂32分别由细芯光纤中的包层与芯层组成，其输入端与分束器连接，其输出端与合束器连接，长度大约为25mm。用于形成传输波导，以筛选并传输不同的光传输模式。
合束器42，作为一种优选的技术方案，所述的合束器为为单模光纤与细芯光纤拼接后拉锥并在锥形区域涂覆有氧化石墨烯涂层41，多模光纤纤芯直径大约为45μm，长度大约为5mm，其与出射光纤和调制臂连接，使得从调制臂中进来的光信号经过合束器耦合到出射光纤结构中。
出射光纤5，用于输出光信号，并将光信号传输到检测设备中。
在湿度测量实验中，将所述光纤湿度传感头放入一个封闭的恒温恒湿箱内，湿度箱的温度保持在室温条件下，传感器的输入端连接宽带光源，输出端连接光谱分析仪。
如图2所示，在实验室环境下，恒温恒湿箱中从湿度为30％增加到90％。随着相对湿度的增加，透射光谱往更长的波长方向移动。图3显示了在不同相对湿度(RH)下波长为～1598nm的共振峰的拟合线。从图中可以看出，灵敏度可以达到43.2pm/％RH，在相对湿度范围为30-90％时线性相关系数为98.9％。同时，我们还研究了在40％RH和60％RH下涂有氧化石墨烯的传感器的稳定性。我们将传感器头置于温度为室温下的恒温恒湿箱中80分钟，观察传输峰值波长的变化。如图4所示，每10分钟记录透射峰的波长。在40％RH和60％RH下，透射峰的波长的标准偏差分别为0.014nm和0.008nm。这表明传感器具有良好的稳定性。
下面对本发明实施例的传感器的传感原理进行解释。
光纤湿度传感器由一段细芯光纤和两段单模光纤熔接经过熔炉拉锥而成。当光从单模光纤传播第一个锥形区域时，单模光纤的本征模式开始衍射，在锥形区域内被激发出多个高阶模式，高阶模式的激发受到锥形区域有效半径的调节。在锥形区域表面形成强烈的消逝场，并使外部涂层膜的折射率变化敏感。波导中的“有效”横向尺寸与折射率密切相关，改变纤芯以及环境的有效折射率能够改变波导中的横向模场分布。
当光从宽带光源传输到单模光纤进入第一锥形区域时，一部分光被耦合到细芯光纤的包层中并将触发细芯光纤的多个包层模式，剩余的光仍然在细芯光纤的芯层中中传播。当光传输到第二锥形区域时，细芯光纤包层中的光被重新耦合到下游单模光纤的纤芯。在输出SMF处产生干涉的主要原因是由于在细芯光纤中传输时芯层和包层的传播常数不同，纤芯模式和包层模式之间的相位延迟。
干涉强度和相位差可表示为:
Icore和分别是纤芯和包层中传输的光强，I是输出光强；L是调制臂的长度，/>是调制臂的芯层和包层之间的有效折射率差；λ是入射光的波长；/>是相位差，等式中的/>等于(2k+1)π，k阶模式干涉输出谱的波谷波长可以表示为:
该等式表明，和L的变化是波长偏移的主要原因。对于相对湿度传感器，L值保持不变，主要是改变折射率差以使波长移动。
作为水分敏感材料，GO在提高传感器灵敏度方面起着重要作用，因为它富含不同类型的含氧官能团。将水分子与GO组合可以改变锥形区域的有效折射率。随着RH增加，GO膜将吸收更多的水分子，导致表面电荷密度增加和导电性降低。这导致锥形区域中的有效折射率差异减小，并且干涉光谱发生红移。
综上所述，本发明实施例提供的基于马赫-曾德干涉仪的光纤湿度传感器，相比于现有该类传感器，具有成本低、高灵敏度、高稳定性的特点。
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)
1.一种基于马赫-曾德干涉仪的光纤湿度传感器，其特征在于，包括：依次连接的入射光纤、分束器、调制臂、合束器和出射光纤；
所述入射光纤，用于输入光信号；所述入射光纤为单模光纤，由纤芯传输光信号；
所述分束器，用以使得从入射光纤输入的光信号分束为两路光信号；
所述调制臂，包含传输两路光信号的第一调制臂和第二调制臂，用于形成传输波导以筛选不同的光波传输模式；所述调制臂为细芯光纤；所述调制臂的第一调制臂由细芯光纤中的包层组成，所述第二调制臂由细芯光纤中的纤芯组成；且第一调制臂与第二调制臂的长度相等，均为25mm；
所述合束器，用以使经过所述调制臂的两路光信号耦合到出射光纤中；
所述出射光纤，用于输出耦合的光信号；所述出射光纤为单模光纤，由纤芯输出光信号；
且所述分束器和所述合束器，均为双锥形，均由单模光纤、细芯光纤拼接后并拉锥处理，并均匀地在锥形区域表面涂覆氧化石墨烯膜而形成，锥形区域最小直径为45μm，长度为5mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Meng Hongyun Inventor after: Wang Qingzhuo Inventor after: Zhao Lin Inventor after: Fan Xiaofeng Inventor after: Liu Fengxiang Inventor before: Wang Qingzhuo Inventor before: Meng Hongyun Inventor before: Zhao Lin Inventor before: Fan Xiaofeng Inventor before: Liu Fengxiang |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |