CN111208087B - 一种基于粗锥的光纤湿度传感器及其工作原理和制备方法 - Google Patents

一种基于粗锥的光纤湿度传感器及其工作原理和制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于粗锥的光纤湿度传感器及其工作原理和制备方法，将单模光纤与光子晶体光纤熔接，其中熔点处熔成粗锥，以粗锥和光子晶体光纤构成在线型迈克逊光纤干涉仪。光子晶体光纤的空气孔全部暴露在环境中，更利于引起光纤对湿气的感应。环境湿度的变化会引起光子晶体光纤中高阶模式传播常数的改变，调制模间干涉光谱，利用检测反射的模间干涉光谱就可得到环境湿度的信息。本发明湿度传感器具有灵敏度高、测量准确、稳定性好、抗电磁干扰等特点。

Description

一种基于粗锥的光纤湿度传感器及其工作原理和制备方法
技术领域
本发明涉及光纤湿度传感领域，尤其涉及一种基于粗锥的光纤湿度传感器及其工作原理和制备方法。
背景技术
湿度是用来表征大气干燥程度的物理量，一般用相对湿度(％RH)来表示，它表示大气中水蒸气的气体压力与饱和的水蒸气中气压之比。相对湿度在农业生产、物资储存、环境气象和建筑安全等诸多领域一个很重要的监测物理量。传统的电类湿度传感器由于其可靠性强、结构简单、价格成本较低以及维护率较低等优点占据了主要的市场。但存在稳定性较差、容易受到电磁干扰、耐腐蚀性差等缺点使其无法在相对恶劣的环境中(例如高温高压、化学工业、核电站等)进行湿度监控。近年来，由于光纤湿度传感器具有体小质轻、耐受性好、抗电磁干扰、远距离传输、分布式测量等特点，尤其适用于高温高压、强电磁、易燃易爆和严重污染的环境中湿度的检测，因此被广泛研究。基于不同的结构，人们提出了多种光纤湿度传感器方案，例如Sensors and Actuators B:Chemical.288,75-78(2019)，IEEESensors J,2(3),1-4(2018)以及专利文献1(中国专利公开号CN 101936897 A)提出了基于光纤干涉仪结构结合湿敏材料的传感器设计方案，利用湿敏材料折射率的变化会引起干涉仪干涉波长的漂移，从而解调出湿度信息。上述光纤湿度传感器虽然有其独特的优势，但它们都需要使用湿敏材料进行湿度增敏。湿敏材料的涂覆技术会增加该类传感器制作工艺的复杂化，同时，由于湿敏材料的性质会随环境温度变化而改变，环境温度的变化也会对该类传感器的湿度测量的准确性带来一定的影响。因此，制作工艺简单化和如何消除环境湿度测量过程中温度的影响是光纤湿度传感器研制进一步亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有光纤湿度传感器存在的制作复杂、灵敏度不高、温湿交叉灵敏等问题，提出了一种简单、有效、灵敏度高的基于粗锥和光子晶体光纤的反射式湿度传感器，具体是一种基于粗锥的光纤湿度传感器及其工作原理和制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于粗锥的光纤湿度传感器，包括单模光纤与光子晶体光纤，单模光纤的一端与光子晶体光纤的一端熔接，单模光纤与光子晶体光纤的熔接部位形成有粗锥。
优选的，粗锥的直径为160-180μm，长度为350-450μm。
优选的，光子晶体光纤的长度为5-25mm。
优选的，光子晶体光纤的包层中有126个空气孔，每个空气孔的直径为3μm，相邻两气孔间距为9.3μm，按正六边形排列。
优选的，基于粗锥的光纤湿度传感器的光强I为：
式中，R是光子晶体光纤端面的反射率；Icore是纤芯基模的光强，是第m阶包层模的光强，/>为包层模与纤芯基模间的相位差。
优选的，包层模与纤芯基模间的相位差为：
式中，λ为入射波长，Δneff是包层模与纤芯基模间的有效折射率差，L是光子晶体光纤的长度。
所述基于粗锥的光纤湿度传感器的工作原理如下：
通过单模光纤和光子晶体光纤熔接部位的粗锥将一部分传输光耦合进光子晶体光纤包层，激发出包层的高阶模，利用光子晶体光纤的纤芯基模与包层内的高阶模的有效折射率不同，高阶模与纤芯基模在光子晶体光纤中传播产生光程差，光程差引起相位差，形成干涉条纹；高阶模与纤芯基模之间的光程差决定了干涉条纹的强度，通过检测干涉条纹的光强变化能够得到相应的湿度变化。
所述基于粗锥的光纤湿度传感器的制备方法，包括如下过程：
将单模光纤与光子晶体光纤放在熔接机的光纤夹具上，调整光纤夹具使单模光纤的一端与光子晶体光纤的一端对齐；在预设的熔接强度、预熔时间和推进距离下使得单模光纤与光子晶体光纤的连接部位形成粗锥，熔接完成后对光子晶体光纤进行切割，使光子晶体光纤保留预设长度，得到所述基于粗锥的光纤湿度传感器。
优选的，熔接强度设置为130-140mA，预熔时间设置为1400-1500ms，推进距离设置为15-20μm。
优选的，光子晶体光纤在放置时偏离电极5-10μm。
本发明具有如下有益效果：
本发明的基于粗锥的光纤湿度传感器通过将单模光纤的一端与光子晶体光纤的一端熔接，并在熔接部位形成粗锥，单模光纤用于传输输入光和反射光，粗锥(即光纤锥)作为光分束器和耦合器，光子晶体光纤在其轴向排列的空气孔能够感知环境湿度。环境湿度的变化会改变光纤中高阶模式的传播常数，调制模间干涉型光纤迈克尔逊干涉仪的干涉条纹。因此，通过检测传感器输出光谱强度的变化，就可得到环境湿度的变化信息。本发明将光子晶体光纤与单模光纤熔接后构成光纤湿度传感器，没有选择其他的湿度增敏技术，其结构、制作工艺简单并保证了传感器的稳定性。本发明采用的传感器结构对温度变化不敏感，消除了在湿度测量过程中温度变化带来的影响，解决了温湿交叉灵敏的问题。本发明采用粗锥结构作为耦合器，既提高了耦合效率，也保证了传感器的机械强度；而且该发明仅采用熔接技术，容易实现和广泛应用。本发明为基于反射光谱强度的检测，这种设计使得传感器结构小，能实现探针式测量，在实际应用中更有优势。
进一步的，粗锥的直径为160-180μm，长度为350-450μm，粗锥的直径大于普通光纤直径(125μm)，因此可增强传感器的机械强度和耐受性。
进一步的，光子晶体光纤长度过长，容易弯曲，会影响参与干涉的模式，而光子晶体光纤过短，这在制作中不易控制，不利于广泛应用，因此光子晶体光纤的长度为5-25mm。
本发明基于粗锥的光纤湿度传感器的工作原理充分利用了单模光纤、光子晶体光纤和粗锥传输光波的特点，使得湿度与通过光纤传输的光建立联系，达到较好的湿度测量的效果。并且不受湿度增敏技术影响、以及对温度的不敏感性，使得测量结果稳定可靠。
本发明基于粗锥的光纤湿度传感器的制备方法，利用熔接的技术将单模光纤与光子晶体光纤进行熔接，并在熔接部位形成粗锥，其制备过程简单，得到的湿度传感器具有良好的性能，并且成本较低，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明基于粗锥的光纤湿度传感器的结构示意图；
图2是本发明实施例中采用的光子晶体光纤端面示意图；
图3是电子显微镜下的本发明光纤粗锥；
图4是本发明实施例中采用的传感系统示意图；
图5a是不同湿度下本发明传感器的干涉光谱；
图5b是本发明传感器的强度及波长随湿度变化的规律图；
图6a是不同温度下本发明传感器的干涉光谱；
图6b是本发明传感器的强度及波长随温度变化的规律图；
图中，1-单模光纤，2-光子晶体光纤，3-粗锥，4-湿度传感器，5-光纤解调仪，6-电脑，7-密封箱，8-电子温湿度计。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来对本发明做进一步的说明。
参照图1和图3，本发明基于粗锥的光纤湿度传感器是将单模光纤1与光子晶体光纤2的一端进行粗锥熔接，在单模光纤1与光子晶体光纤2的熔接部位形成粗锥3，所得结构即为本发明的光纤湿度传感器。光子晶体光纤的空气孔全部暴露在环境中，更利于引起光纤对湿气的感应。
在制备本发明的光纤湿度传感器时，对所述光子晶体光纤2的端面用光纤切割刀进行切割，保留光子晶体光纤的长度为5-25mm；以所述输入单模光纤1和光子晶体光纤2的粗锥3熔接构成在线型光纤迈克尔逊模间干涉仪作为传感探头，用于感知环境的湿度变化。
参照图1，本发明装置的工作方式为：由光源发出的光经单模光纤1入射光子晶体光纤2时，在粗锥3处，由于光纤直径突然增加导致一部分光耦合到包层部分成为高阶模，另一部分光则沿着纤芯进行传输，即纤芯基模。纤芯基模和高阶模到达光子晶体光纤端面时发生反射后继续在光子晶体光纤中传输，并经由粗锥输出至单模光纤。纤芯基模和高阶模具有不同的有效折射率，使得高阶模与纤芯基模间产生光程差和相位差形成干涉。本发明中光纤粗锥是光的分束器和耦合器，用于激发包层模和耦合包层模与纤芯基模，光子晶体光纤是干涉臂，光子晶体光纤端面是反射镜，因此该结构是一个典型的在线型光纤迈克尔逊模间干涉仪。
干涉仪的光强可以表示为：
式中R是光子晶体光纤端面的反射率；Icore是纤芯基模的光强，是第m阶包层模的光强，/>为包层模与纤芯基模间的相位差，可写作：
式中λ为入射波长，Δneff是包层模与纤芯基模间的有效折射率差，L是光子晶体光纤的长度。
当外界湿度发生变化时，空气孔内折射率改变会影响光子晶体光纤中高阶模有效折射率的改变，进而改变高阶模与纤芯基模间的光程差，从而导致干涉光谱强度的改变，通过检测输出的反射光谱强度就可以得到环境湿度的变化。
如图1所示，本发明基于光子晶体光纤的光纤湿度传感器中单模光纤1与光子晶体光纤2的熔接点－粗锥3的作用相当于耦合器，将一部分光耦合进光子晶体光纤包层，其余部分仍在纤芯中传播，当光到达光子晶体光纤端面后发生反射，再次到达粗锥3时包层中光被耦合至纤芯并由单模输出，从而构成模间干涉型光纤迈克尔逊干涉仪。
图2给出了本发明中所用的光子晶体光纤截面示意图。光子晶体光纤的纤芯直径为9.1μm，包层直径为125μm，光子晶体光纤的包层内有126个空气孔，按正六边形排列，每个空气孔直径为3μm，相邻两个空气孔之间的距离为9.3μm。
图3为本发明实施例中加工而成的粗锥3在电子显微镜下的照片，粗锥3的直径为160-180μm，长度为350-450μm。
图4为湿度检测系统，该系统包括光纤解调仪5、电脑6、密封箱7、电子温湿度计8和本发明上述湿度传感器4。首先将湿度传感器4与光纤光栅解调仪5相连，再将光纤光栅解调仪5与进行数据处理的电脑6相连。湿度传感器4置于密封箱7内，密封箱内的烧杯内装有饱和Nacl溶液，用来改变箱内湿度，密封箱内的加热片可以改变密封箱内的温度，电子温湿度计8用来监测密封箱内的温湿度。
实施例1
本实施例中基于粗锥的光纤湿度传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)在熔接前，需将普通单模光纤1与光子晶体光纤2的端面切割平整，并用酒精擦拭干净。
(2)光纤粗锥熔接。将准备好的光纤放在熔接机的夹具上，为提高熔接质量，对夹具的X方向和Y方向进行微调，使两根光纤对齐。熔接强度设置为130-140mA，预熔时间设置为1400-1500ms，推进距离设置为15-20μm，光子晶体光纤在放置时偏离电极5-10μm，其目的为减小损耗并尽可能避免光子晶体光纤中气孔塌陷，以获得较为理想的干涉谱。
(3)熔接完成后，对光子晶体光纤的端面在光纤切刀下进行精确切割，保留光子晶体光纤的长度为5-20mm，并确保端面切割光滑平整，以获得较高的反射率。
本实施例中熔接形成的粗锥3的直径为167μm，长度为380μm。
图5(a)为保持环境温度17℃条件下，将相对湿度从30％RH升至90％RH记录的光谱信息，湿度变化梯度为10％RH，可见随着湿度增加，本发明湿度传感器的输出光强明显发生变化，而波长漂移相对较小。图5(b)为1533nm处波谷光强与波长随相对湿度的线性拟合，得到传感器灵敏度为-0.093dB/％RH，拟合度为0.991。
图6(a)为本发明湿度传感器的温度响应特性，将温度从20℃升至100℃，温度变化梯度为10℃，分别记录每个温度下的光谱信息。随着温度变化，可以看出光谱变化并不明显，图6(b)为1533nm处波谷的光强与波长随温度的线性拟合，得到传感器灵敏度为0.007nm/℃，拟合度为0.997，温度所引起的测量误差为0.001％RH/℃，其意义为：温度变化1℃所引起的湿度变化仅为0.001％RH，在实际应用中可以忽略，这说明该传感器消除了交叉灵敏度的问题。
综上所述，通过将光子晶体光纤与单模光纤熔接，制作了一种基于粗锥的光纤湿度传感器，在30％RH-90％RH的范围内，输出光功率随相对湿度的变化呈线性关系，传感器的湿度线性灵敏度为0.093dB/％RH；在20℃-100℃的范围内，传感器温度线性灵敏度为0.007nm/℃。温度所引起的测量误差为0.001％RH/℃，因此保证了湿度测量的准确性。因此本发明湿度传感器具有灵敏度高、测量准确、稳定性好、抗电磁干扰等特点。

Claims (5)

1.一种基于粗锥的光纤湿度传感器，其特征在于，包括单模光纤(1)与光子晶体光纤(2)，单模光纤(1)的一端与光子晶体光纤(2)的一端熔接，单模光纤(1)与光子晶体光纤(2)的熔接部位形成有粗锥(3)；
光子晶体光纤(2)的长度为5-25mm；
光子晶体光纤(2)另一端的端面光滑平整；
粗锥(3)的直径为160-180μm，长度为350-450μm；
基于粗锥的光纤湿度传感器的光强I为：
式中，R是光子晶体光纤端面的反射率；Icore是纤芯基模的光强，是第m阶包层模的光强，/>为包层模与纤芯基模间的相位差；
包层模与纤芯基模间的相位差为：
式中，λ为入射波长，Δneff是包层模与纤芯基模间的有效折射率差，L是光子晶体光纤的长度；
所述基于粗锥的光纤湿度传感器的工作原理如下：
通过单模光纤(1)和光子晶体光纤(2)熔接部位的粗锥(3)将一部分传输光耦合进光子晶体光纤(2)包层，激发出包层的高阶模，利用光子晶体光纤(2)的纤芯基模与包层内的高阶模的有效折射率不同，高阶模与纤芯基模在光子晶体光纤(2)中传播产生光程差，光程差引起相位差，形成干涉条纹；高阶模与纤芯基模之间的光程差决定了干涉条纹的强度，通过检测干涉条纹的光强变化能够得到相应的湿度变化。
2.根据权利要求1所述的一种基于粗锥的光纤湿度传感器，其特征在于，光子晶体光纤(2)的包层中有126个空气孔，每个空气孔的直径为3μm，相邻两气孔间距为9.3μm，按正六边形排列。
3.权利要求1-2任意一项所述的基于粗锥的光纤湿度传感器的制备方法，其特征在于，包括如下过程：
将单模光纤(1)与光子晶体光纤(2)放在熔接机的光纤夹具上，调整光纤夹具使单模光纤(1)的一端与光子晶体光纤(2)的一端对齐；在预设的熔接强度、预熔时间和推进距离下使得单模光纤(1)与光子晶体光纤(2)的连接部位形成粗锥(3)，熔接完成后对光子晶体光纤(2)进行切割，使光子晶体光纤(2)保留预设长度，得到所述基于粗锥的光纤湿度传感器。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，熔接强度设置为130-140mA，预熔时间设置为1400-1500ms，推进距离设置为15-20μm。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，光子晶体光纤(2)在放置时偏离电极5-10μm。
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