CN114088136B - 一种温湿度双参量传感器及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温湿度双参量传感器及其制备方法和应用，包括依次相连的宽谱光源、第一单模光纤、孔助三芯光纤、第二单模光纤和光谱分析仪；孔助三芯光纤包括一个中心纤芯、一个开放空气孔和一个封闭空气孔；封闭空气孔内设置有第一悬挂纤芯，开放空气孔内设置有第二悬挂纤芯，第一悬挂纤芯和第二悬挂纤芯分别与中心纤芯在不同波长发生共振耦合并形成第一纤内光纤定向耦合器和第二纤内光纤定向耦合器，封闭空气孔内填充热敏材料，第二悬挂纤芯上覆盖有湿敏材料。本发明具有测量精准、灵敏度高、集成度高等优势，可以有效克服光纤湿度传感器受温度串扰的影响。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种温湿度双参量传感器及其制备方法和应用，特别涉及一种基于孔助三芯光纤定向耦合器的温湿度双参量传感器及其制备方法和应用。
背景技术
相比于传统的湿度传感器，光纤湿度传感器具有响应速度快、灵敏度高、适用于恶劣环境等显著优点。石英是制备光纤最常见的材料，但是石英本身对湿度变化不敏感导致石英光纤基光纤传感器不能直接用于湿度传感。石英光纤基湿度传感器大多采用在石英光纤上集成湿敏材料制备而成，通过测量湿敏材料的折射率变化间接实现湿度传感。然而湿敏材料的折射率不仅受湿度变化影响，通常还受温度变化影响，所以光纤湿度传感器大多面临温度串扰的问题。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种基于孔助三芯光纤定向耦合器的温湿度双参量传感器及其制备方法和应用，利用孔助三芯光纤构成的两个不同工作波段的纤内定向耦合器同时进行温度和湿度传感，具有测量精准、灵敏度高、集成度高等优势，可以有效克服光纤湿度传感器受温度串扰的影响。
为解决上述技术问题，本发明的一种温湿度双参量传感器，包括依次相连的宽谱光源、第一单模光纤、孔助三芯光纤、第二单模光纤和光谱分析仪；孔助三芯光纤包括一个中心纤芯、一个开放空气孔和一个封闭空气孔；封闭空气孔内设置有第一悬挂纤芯，开放空气孔内设置有第二悬挂纤芯，第一悬挂纤芯和第二悬挂纤芯分别与中心纤芯在不同波长发生共振耦合并形成第一纤内光纤定向耦合器和第二纤内光纤定向耦合器，封闭空气孔内填充热敏材料，第二悬挂纤芯上覆盖有湿敏材料。
进一步的，第一悬挂纤芯和第二悬挂纤芯的直径不同或折射率不同，使得第一悬挂纤芯和第二悬挂纤芯基模与中心纤芯基模的相位匹配波长位于不同波段。
进一步的，利用第一纤内光纤定向耦合器进行温度测量，外界温度变化使第一纤内光纤定向耦合器产生的共振峰发生漂移，通过波长偏移量实现温度测量；利用第二纤内光纤定向耦合器进行湿度测量，外界湿度变化使第二纤内光纤定向耦合器产生的共振峰发生漂移，通过波长偏移量实现湿度测量。
进一步的，利用第一纤内光纤定向耦合器的温度测量结果对第二纤内光纤定向耦合器进行温度补偿，排除温度串扰。
进一步的，孔助三芯光纤的直径为125μm，中心纤芯直径为8.5-9μm，两个空气孔边缘与中心纤芯边缘距离范围为2-8μm，两个悬挂纤芯直径范围为10-13μm，当第一悬挂纤芯和第二悬挂纤芯的直径不同时，两个悬挂纤芯直径之差的范围为0.2-2μm，两个悬挂纤芯分别悬挂于空气孔的内壁且靠近中心纤芯一侧。
进一步的，孔助三芯光纤的长度等于或接近第一纤内光纤定向耦合器与第二纤内光纤定向耦合器耦合长度的奇数倍的公倍数，以确保中心纤芯透射光谱在两相位匹配波长处均有明显共振峰。
进一步的，开放空气孔是由完整孔助三芯光纤经过侧抛加工获得。
上述温湿度双参量传感器的制备方法，具体为：
首先通过切割使孔助三芯光纤长度等于或接近第一纤内光纤定向耦合器与第二纤内光纤定向耦合器耦合长度的奇数倍的公倍数，并将孔助三芯光纤的中心纤芯分别与第一单模光纤和第二单模光纤的纤芯熔接；宽谱光源与第一单模光纤的另一端连接，第二单模光纤的另一端接入光谱分析仪，测试孔助三芯光纤的透射光谱，确保有两个分离的共振峰；然后利用高频CO2激光器在孔助三芯光纤的一个空气孔的侧壁上刻蚀两个微孔，利用虹吸效应将热敏材料填充进该空气孔，并用紫外胶将两个微孔密封；最后利用光纤侧抛机对孔助三芯光纤未填充液体的空气孔一侧进行侧抛，抛磨形成开放空气孔；将湿敏材料溶液填充到开放空气孔内，待水分蒸发后会在悬挂纤芯表面形成湿敏材料薄膜。
上述温湿度双参量传感器的应用，具体为：
首先保持温度恒定，标定传感器的相对湿度传感特性，测得第一纤内光纤定向耦合器和第二纤内光纤定向耦合器对应共振峰的相对湿度灵敏度分别为和/>然后保持相对湿度恒定，标定传感器温度传感特性，测得第一纤内光纤定向耦合器和第二纤内光纤定向耦合器对应共振峰的温度灵敏度分别为/>和/>利用矩阵法同时测量温度和湿度，温度变化量(ΔT)和湿度变化量(ΔRH)满足：
其中 与/>分别为第一纤内光纤定向耦合器对应共振峰的温度与相对湿度灵敏度，/>与/>分别为第二纤内光纤定向耦合器对应共振峰的温度与相对湿度灵敏度，ΔλCoulper1与ΔλCoulper2分别为第一纤内光纤定向耦合器和第二纤内光纤定向耦合器对应共振峰在测量时的波长偏移量。
本发明的有益效果：本发明利用孔助双芯光纤中心纤芯和两个悬挂纤芯形成纤内定向耦合器阵列，利用光纤侧抛技术打开孔助双芯光纤其中一个空气孔，将基于孔助三芯光纤纤内的一个光纤定向耦合器的通道暴露于外界环境，并在该空气孔内悬挂纤芯上集成湿敏材料实现湿度传感。同时在另一完整空气孔中填充液体热敏材料增强该空气孔中悬挂纤芯温度敏感性实现温度传感。利用完整空气孔中悬挂纤芯对外界湿度变化不敏感的特性，将其用于温度传感并对传感器湿度测量进行温度补偿，去除湿度测量中的温度串扰。本发明利用孔助三芯光纤构成的两个不同工作波段的纤内定向耦合器同时进行温度和湿度传感，具有测量精准、灵敏度高、集成度高等优势，可以有效克服光纤湿度传感器受温度串扰的影响。
附图说明
图1是基于孔助三芯光纤定向耦合器的温湿度双参量传感器结构示意图。
图2是集成功能材料的侧抛孔助三芯光纤横截面示意图。
图3是侧抛孔助三芯光纤示意图。
图4是孔助三芯光纤色散曲线仿真计算结果。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
本发明的一种基于孔助三芯光纤定向耦合器的温湿度双参量传感器，利用孔助三芯光纤的中心纤芯分别与两个悬挂纤芯构成两个纤内光纤定向耦合器，组成孔助三芯光纤定向耦合器。利用其中一个纤内定向耦合器集成湿敏材料进行湿度传感；利用另一个纤内定向耦合器集成热敏材料进行温度传感。
结合图1和图2，传感器由宽谱光源1、单模光纤2、侧抛孔助三芯光纤3、单模光纤4、光谱分析仪5依次连接而成；侧抛孔助三芯光纤3包含一个圆形完整空气孔3-7、一个开放空气孔3-6、悬挂纤芯3-2、悬挂纤芯3-3和一个中心纤芯3-1；两悬挂纤芯直径不同，能够分别与中心纤芯3-1在不同波长发生能量耦合，形成纤内光纤定向耦合器。开放空气孔3-6内的悬挂纤芯3-3上覆盖有湿敏材料3-4，完整空气孔3-7内填充有热敏材料3-5。侧抛孔助三芯光纤3两端与单模光纤2和单模光纤4正对连接。单模光纤2和单模光纤4的另一端分别与宽谱光源1和光谱分析仪5连接。
孔助三芯光纤3的直径为125μm，中心纤芯3-1直径为8.5-9μm，两个空气孔边缘与中心纤芯3-1边缘距离范围为2-8μm，两个悬挂纤芯直径范围为10-13μm，两个悬挂纤芯直径之差的范围为0.2-2μm。两个悬挂纤芯分别悬挂于两空气孔的内壁且最靠近中心纤芯3-1一侧。
孔助三芯光纤的长度等于或接近两纤内定向耦合器耦合长度的奇数倍的公倍数。
侧抛孔助三芯光纤3的开放空气孔3-6是由完整孔助三芯光纤经光纤经过侧抛加工获得，开放空气孔3-6内的悬挂纤芯3-3保持完好并暴露于外界环境。
侧抛孔助三芯光纤的两个悬挂纤芯分别与中心纤形成光纤定向耦合器。
两悬挂纤芯的直径不同或折射率不同，使得两悬挂纤芯基模与中心纤芯基模的相位匹配波长位于不同波段，导致两悬挂纤芯与中心纤芯形成的光纤定向耦合器在不同波段发生共振耦合。孔助三芯光纤的透射光谱中包含两个分离共振峰。孔助三芯光纤的两个悬挂纤芯因为包层结构与中心纤芯3-1不同，两悬挂纤芯中基模都只在一个波长下与中心纤芯基模满足相位匹配条件。
中心纤芯3-1与完整空气孔3-7中悬挂纤芯3-2形成的光纤定向耦合器只对温度敏感，对外界湿度变化不敏感。中心纤芯3-1与开放空气孔3-6中悬挂纤芯3-3形成的光纤定向耦合器对温度和湿度都敏感。
双参量传感器利用中心纤芯3-1与完整空气孔中悬挂纤芯3-2形成的光纤定向耦合器进行温度测量，利用中心纤芯3-1与开放空气孔中悬挂纤芯3-3形成的光纤定向耦合器进行湿度测量。孔助三芯光纤的一个空气孔被打破，使该空气孔内悬挂纤芯暴露于外界。被打破的空气孔3-6内的悬挂纤芯3-3保持完整，且在该悬挂纤芯上覆盖由湿敏材料制备而成的功能膜。外界湿度变化会引起所述功能膜折射率改变，进而引起所述暴露悬挂纤芯与中心纤芯形成的定向耦合器产生的共振峰发生漂移。孔助三芯光纤的完整空气孔内填充有液体热敏材料3-5，用于增强该空气孔内悬挂纤芯的温度敏感性。温度变化会引起所述热敏材料折射率改变，进而引起所述完整空气孔内悬挂纤芯与中心纤芯形成的定向耦合器产生共振峰发生漂移。
在恒温条件下，对传感器透射光谱中两共振峰的湿度传感特性进行标定。而后在恒定湿度条件下，对传感器透射光谱中两共振峰的温度传感特性进行标定。两共振峰对温度和湿度的响应不同且均已标定，利用矩阵法可实现同时对温度和湿度两个参量进行传感。
双参量传感器利用中心纤芯3-1与完整空气孔中悬挂纤芯3-2形成的光纤定向耦合器的温度测量结果对中心纤芯3-1与开放空气孔中悬挂纤芯3-3形成的光纤定向耦合器进行温度补偿，排除温度串扰。
下面结合具体参数给出实施例。
结合图1和图2，传感器由光源1，单模光纤2，侧抛的孔助三芯光纤3，单模光纤4，光谱分析仪5依次连接而成。双空气孔三芯光纤的直径为125μm，中心纤芯直径为8.5μm，两个空气孔直径范围为36μm，两个空气孔边缘与中心纤芯边缘距离范围为5.75μm，两个悬挂纤芯直径分别为11.95μm和12.7μm。结合图4，两悬挂纤芯与中心纤芯的相位匹配波长分别为1310nm和1550nm。中心纤芯3-1与悬挂纤芯3-2构成第一定向耦合器，在1310nm波长下耦合长度约为9.4mm，中心纤芯3-1与悬挂纤芯3-3构成第二定向耦合器，在1550nm波长下耦合长度约为3.2mm。
首先将孔助三芯光纤切割至长度为9.4mm，并熔接到两段单模光纤中间，确保中心纤芯与单模光纤纤芯对准。将孔助三芯光纤一端的单模与宽谱光源连接，另一端的单模光纤接入光谱分析仪，测试该孔助三芯光纤的透射光谱，确保有两个分离的共振峰，在上述参数条件下，共振峰波段为1310nm和1550nm。然后利用高频CO2激光器在孔助三芯光纤的一个空气孔的侧壁上刻蚀两个微孔。两微孔分别紧靠孔助三芯光纤与两单模光纤的焊点。利用虹吸效应将热敏材料填充进该空气孔，本实施例中采用折射率为1.335的折射率匹配液作为热敏材料，并用紫外胶将两个微孔密封。最后利用光纤侧抛机对孔助三芯光纤进行侧抛，在水平显微镜观测下调整孔助三芯光纤方位，确保未填充液体的空气孔朝向抛磨轮并进行抛磨。当空气孔被抛磨掉一半时停止抛磨。利用超声水浴清洗侧抛的孔助三芯光纤并干燥后，将湿敏材料溶液填充到开放空气内，在本实施例中为质量浓度为5％的明胶溶液，待水分蒸发后会在悬挂纤芯表面形成明胶薄膜，用于湿度增敏，实现基于孔助三芯光纤定向耦合器的温湿度双参量传感器的制备。
利用温湿度实验箱对传感器进行标定，首先保持温度恒定标定传感器的相对湿度传感特性，测得两个纤内光纤定向耦合器对应共振峰的相对湿度灵敏度分别为和然后保持相对湿度恒定，标定传感器的温度传感特性，测得两个纤内光纤定向耦合器对应共振峰的温度灵敏度分别为/>和/>则该基于孔助三芯光纤定向耦合器的温湿度双参量传感器可利用矩阵法同时测量温度和湿度，温度变化量(ΔT)和湿度变化量(ΔRH)可表示为：
其中 与/>分别为纤内光纤定向耦合器1对应共振峰的温度与相对湿度灵敏度，/>与/>分别纤内光纤定向耦合器2对应共振峰的温度与相对湿度灵敏度。ΔλCoulper1与ΔλCoulper2分别为纤内光纤定向耦合器1和2对应共振峰在测量时的波长偏移量。悬挂纤芯3-2与中心纤芯3-1形成的纤内光纤定向耦合器为纤内光纤定向耦合器1，悬挂纤芯3-3与中心纤芯3-1形成的纤内光纤定向耦合器为纤内光纤定向耦合器2。
Claims (9)
1.一种温湿度双参量传感器，其特征在于：包括依次相连的宽谱光源(1)、第一单模光纤(2)、孔助三芯光纤(3)、第二单模光纤(4)和光谱分析仪(5)；所述孔助三芯光纤(3)包括一个中心纤芯(3-1)、一个开放空气孔(3-6)和一个封闭空气孔(3-7)；封闭空气孔(3-7)内设置有第一悬挂纤芯(3-2)，开放空气孔(3-6)内设置有第二悬挂纤芯(3-3)，第一悬挂纤芯(3-2)和第二悬挂纤芯(3-3)分别与中心纤芯(3-1)在不同波长发生共振耦合并形成第一纤内光纤定向耦合器和第二纤内光纤定向耦合器，封闭空气孔(3-7)内填充热敏材料(3-5)，第二悬挂纤芯(3-3)上覆盖有湿敏材料(3-4)；孔助三芯光纤(3)的直径为125μm，中心纤芯(3-1)直径为8.5-9μm，两个空气孔(3-6，3-7)边缘与中心纤芯(3-1)边缘距离范围为2-8μm，两个悬挂纤芯(3-2，3-3)直径范围为10-13μm。
2.根据权利要求1所述的一种温湿度双参量传感器，其特征在于：第一悬挂纤芯(3-2)和第二悬挂纤芯(3-3)的直径不同或折射率不同，使得第一悬挂纤芯(3-2)和第二悬挂纤芯(3-3)基模与中心纤芯(3-1)基模的相位匹配波长位于不同波段。
3.根据权利要求1所述的一种温湿度双参量传感器，其特征在于：利用第一纤内光纤定向耦合器进行温度测量，外界温度变化使第一纤内光纤定向耦合器产生的共振峰发生漂移，通过波长偏移量实现温度测量；利用第二纤内光纤定向耦合器进行湿度测量，外界湿度变化使第二纤内光纤定向耦合器产生的共振峰发生漂移，通过波长偏移量实现湿度测量。
4.根据权利要求3所述的一种温湿度双参量传感器，其特征在于：利用第一纤内光纤定向耦合器的温度测量结果对第二纤内光纤定向耦合器进行温度补偿，排除温度串扰。
5.根据权利要求1所述的一种温湿度双参量传感器，其特征在于：当第一悬挂纤芯(3-2)和第二悬挂纤芯(3-3)的直径不同时，两个悬挂纤芯(3-2，3-3)直径之差的范围为0.2-2μm，第一悬挂纤芯(3-2)悬挂于封闭空气孔(3-7)的内壁且靠近中心纤芯(3-1)一侧，第二悬挂纤芯(3-3)悬挂于开放空气孔(3-6)的内壁且靠近中心纤芯(3-1)一侧。
6.根据权利要求1所述的一种温湿度双参量传感器，其特征在于：所述孔助三芯光纤(3)的长度等于或接近第一纤内光纤定向耦合器与第二纤内光纤定向耦合器耦合长度的奇数倍的公倍数。
7.根据权利要求1所述的一种温湿度双参量传感器，其特征在于：开放空气孔(3-6)是由完整孔助三芯光纤经过侧抛加工获得。
8.一种权利要求1-7任意一项所述的一种温湿度双参量传感器的制备方法，其特征在于：
首先将孔助三芯光纤(3)的中心纤芯(3-1)分别与第一单模光纤(2)和第二单模光纤(4)的纤芯熔接；宽谱光源(1)与第一单模光纤(2)的另一端连接，第二单模光纤(4)的另一端接入光谱分析仪(5)，测试孔助三芯光纤(3)的透射光谱，确保有两个分离的共振峰；然后利用高频CO2激光器在孔助三芯光纤(3)的一个空气孔(3-7)的侧壁上刻蚀两个微孔，利用虹吸效应将热敏材料填充进该空气孔(3-7)，并用紫外胶将两个微孔密封；最后利用光纤侧抛机对孔助三芯光纤(3)未填充液体的空气孔一侧进行侧抛，抛磨形成开放空气孔(3-6)；将湿敏材料溶液填充到开放空气孔(3-6)内，待水分蒸发后会在悬挂纤芯表面形成湿敏材料薄膜。
9.一种权利要求1至7任意一项所述一种温湿度双参量传感器的应用，其特征在于：
首先保持温度恒定，标定传感器的相对湿度传感特性，测得第一纤内光纤定向耦合器和第二纤内光纤定向耦合器对应共振峰的相对湿度灵敏度分别为和/>然后保持相对湿度恒定，标定传感器温度传感特性，测得第一纤内光纤定向耦合器和第二纤内光纤定向耦合器对应共振峰的温度灵敏度分别为/>和/>利用矩阵法同时测量温度和湿度，温度变化量ΔT和湿度变化量ΔRH满足：
其中 与/>分别为第一纤内光纤定向耦合器对应共振峰的温度与相对湿度灵敏度，/>与/>分别为第二纤内光纤定向耦合器对应共振峰的温度与相对湿度灵敏度，ΔλCoulper1与ΔλCoulper2分别为第一纤内光纤定向耦合器和第二纤内光纤定向耦合器对应共振峰在测量时的波长偏移量。
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