CN114486766A - 一种自带温度标定的光纤湿度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自带温度标定的光纤湿度传感器，包括：第一光纤跳线、第二光纤跳线、第一单模光纤、第二单模光纤及管状空芯光纤；其中第一光纤跳线的输入端与宽带光源连接，第一光纤跳线的输出端与第一单模光纤的输入端连接；第一单模光纤的输出端与管状空芯光纤的输入端连接，管状空芯光纤的输出端与第二单模光纤的输入端连接，其中管状空芯光纤形成两种不同的谐振腔对入射的宽谱光产生两种不同类型反谐振效应；第二单模光纤的输出端与第二光纤跳线的输入端连接；第二光纤跳线的输出端连接光谱仪。本发明通过对比入射宽谱光在光纤传感器中产生两种不同类型谐振峰的漂移实现带温度标定的湿度传感，提高湿度探测的精确度。

Description

一种自带温度标定的光纤湿度传感器
技术领域
本发明涉及湿度传感设备的技术领域，尤其涉及一种带有温度标定的光纤湿度传感器。
背景技术
湿度传感不仅对人体的生命健康至关重要，在工农业生产、药物合成开发，以及食品加工和储存等领域都具有重要作用，光纤湿度传感器基于光学方法，本质安全，而且具有结构简单紧凑、灵敏度高、抗电磁干扰、便于远程实时监控等优点，已成为当前湿度传感器的重点研究方向之一。湿度容易受环境温度变化的影响，因此温湿度交叉敏感是光纤湿度传感器面临的主要问题。现有光纤湿度传感器通常通过复合多个光纤传感器分别检测环境温湿度从而排除温度的交叉敏感，但多个传感器复合制备工艺较复杂，而且为了获得高湿度灵敏度，光纤传感器的表面通常需要镀膜湿度敏感材料，然而现有的在光纤传感器表面增加镀膜材料后，温度变化不仅会使光纤传感器的温湿度交叉敏感问题更加突出，还可能会引起材料自身传感特性的变化，从而降低传感器探测精度，甚至使传感器失效。因此，现有技术方法中的光纤湿度传感器存在探测精度低和可靠性低的问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种自带温度标定的光纤湿度传感器，旨在解决现有技术方法中的湿度传感器所存在的探测精度低和可靠性低的问题。
本发明实施例提供了自带温度标定的光纤湿度传感器，其中，包括：第一光纤跳线、第二光纤跳线、第一单模光纤、第二单模光纤及管状空芯光纤；
所述宽带光源与所述第一光纤跳线的输入端连接，所述宽带光源用于提供宽谱光，所述第一光纤跳线的输出端与所述第一单模光纤的输入端连接，所述第一光纤跳线用于将所述宽谱光引入所述第一单模光纤；
所述第一单模光纤包括第一单模光纤纤芯和第一石英层，所述第二单模光纤包括第二单模光纤纤芯和第二石英层，所述第一石英层包覆所述第一单模光纤，所述第二石英层包覆所述第二单模光纤；
所述管状空芯光纤包括空气芯、第三石英包层及聚酰亚胺膜，所述第三石英包层包覆于所述空气芯外表面，所述聚酰亚胺膜包覆于所述第三石英包层外表面且聚酰亚胺膜轴向长度小于第三石英包层的轴向长度，所述第三石英包层的折射率大于所述空气芯的折射率，所述聚酰亚胺膜的折射率大于所述第三石英包层的折射率；
未包覆有所述聚酰亚胺膜的所述第三石英包层形成第一径向Fabry-Perot谐振腔，聚酰亚胺膜与包覆有所述聚酰亚胺膜的所述第三石英包层组合形成第二径向Fabry-Perot谐振腔；
所述宽谱光在所述第一径向Fabry-Perot谐振腔进行传播并激发产生第一类谐振峰，所述宽谱光在所述第二径向Fabry-Perot谐振腔进行传播并激发第二类谐振峰；
所述第二单模光纤的输出端与所述第二光纤跳线的输入端连接；
所述第二光纤跳线的输出端与光谱仪连接，所述第二光纤跳线用于将所述第一类谐振峰及所述第二类谐振峰叠加形成的光信号导入所述光谱仪。
所述管状空芯光纤的两端与所述第一单模光纤的输入端以及与所述第二单模光纤的输出端的连接方式均为纤芯对准熔接。
所述管状空芯光纤的空气芯的直径大于所述第一单模光纤纤芯的直径。
所述第三石英包层的折射率大于所述空气芯的折射率。
上述的自带温度标定的光纤湿度传感器，运用光的反谐振导光原理，结合空芯光纤与湿敏材料构造反谐振导光条件，通过对比探测光束在光纤传感器中产生不同类型谐振峰的变化实现带温度标定的湿度传感。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的自带温度标定的光纤湿度传感器的结构图；
图2为本发明实施例提供的自带温度标定的光纤湿度传感器的剖面结构图；
图3为本发明实施例提供的自带温度标定的光纤湿度传感器探测光束的传播路径示意图；
图4为本发明实施例提供的自带温度标定的光纤湿度传感器的效果示意图；
图5为本发明实施例提供的自带温度标定的光纤湿度传感器的效果示意图；
图6为本发明实施例提供的自带温度标定的光纤湿度传感器的效果示意图；
图7为本发明实施例提供的自带温度标定的光纤湿度传感器的效果示意图；
图8为本发明实施例提供的自带温度标定的光纤湿度传感器的效果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
请参阅图1至图3，如图所示，一种自带温度标定的光纤湿度传感器，包括：第一光纤跳线1、第二光纤跳线2、第一单模光纤3、第二单模光纤4及管状空芯光纤5；所述第一光纤跳线1的输入端连接宽带光源，所述第一光纤跳线1的输出端连接所述第一单模光纤3的输入端，所述宽带光源用于提供宽谱光，所述第一光纤跳线1用于将所述宽谱光引入所述第一单模光纤3；所述第一单模光纤3包括第一单模光纤纤芯31和第一石英包层32，所述第二单模光纤4包括第二单模光纤纤芯41和第二石英包层42，所述第一石英包层32包覆所述第一单模光纤纤芯31，所述第二石英层42包覆所述第二单模光纤纤芯41；所述管状空芯光纤5包括空气芯51、第三石英包层52及聚酰亚胺膜53，所述第三石英包层52包覆于所述空气芯51外表面，所述聚酰亚胺膜53包覆于所述第三石英包层52的中间部分，所述第三石英包层52的折射率大于所述空气芯51的折射率，所述聚酰亚胺膜53的折射率大于所述第三石英包层52的折射率；未包覆有所述聚酰亚胺膜53的所述第三石英包层52形成第一径向Fabry-Perot谐振腔，聚酰亚胺膜53与包覆有所述聚酰亚胺膜53的所述第三石英包52层组合形成第二径向Fabry-Perot谐振腔；所述宽谱光在所述第一径向Fabry-Perot谐振腔进行传播并激发产生第一类谐振峰，所述宽谱光在所述第二径向Fabry-Perot谐振腔进行传播并激发第二类谐振峰；所述第二单模光纤3的输出端与所述第二光纤跳线2的输入端连接；所述第二光纤跳线2的输出端与所述光谱仪连接，所述第二光纤跳线2用于将所述第一类谐振峰及所述第二类谐振峰叠加形成的光信号导入光谱仪。
本实施提供的自带温度标定的光纤湿度传感器是一种以复合湿敏材料的光纤为主体的湿度传感器，其具体结构如图1所示，图1是该光纤湿度传感器的结构示意图，第一光纤跳线1与第一单模光纤3对芯连接，第一单模光纤纤芯31连接空气芯51，空气芯51连接第二单模光纤纤芯41，第二单模光纤4与第二光纤跳线2对芯连接，其中空芯光纤与第一单模光纤3和第二单模光纤3之间的连接为熔接，其他接口可以通过熔接或者法兰盘连接。第一石英包层32包覆于第一单模光纤纤芯31的外侧，第三石英包层52包覆于空气芯51外侧，第二石英包层42包覆于第二单模光纤纤芯41的外侧，在第三石英包层52的中部包覆有聚酰亚胺膜53，入射光光经过未包覆有聚酰亚胺膜53部分的第三石英包层52与空气芯51形成第一类反谐振导光效应，入射光光经过包覆有聚酰亚胺膜53部分的第三石英包层52与空气芯51以及聚酰亚胺膜53形成第二类反谐振导光效应；所述第一光纤跳线1、第一单模光纤3、空芯光纤5、第二单模光纤4以及第二光纤跳线2的径向截面均为圆形，其中所述空芯光纤的径向界面如图2所示；宽带光源通过第一光纤跳线1将入射光耦合进入光纤湿度传感器，由于第三石英包层52的折射率大于空气芯51的折射率，且聚酰亚胺膜53的折射率大于第三石英包层52的折射率，如图3所示，该入射光在管状空芯光纤的纤芯51、第三石英包层52和聚酰亚胺膜53内发生多次反射和折射，最后耦合进入第二单模光纤纤芯41。具体地，未包覆有所述聚酰亚胺膜53的第三石英包层52形成的第一径向Fabry-Perot谐振腔，当入射光经过空气芯51时产生第一类反谐振导光效应，聚酰亚胺膜53与包覆有所述聚酰亚胺膜53的第三石英包层52组合形成第二径向Fabry-Perot谐振腔，当入射光经过空气芯51时产生第二类反谐振导光效应。
综上，上述宽带光源在第一类反谐振导光效应条件下传播并激发产生第一类谐振峰，在第二类反谐振导光效应条件下传播并激发第二类谐振峰，第一类谐振峰和第二类谐振峰的中芯波长、自由光谱范围均存在差异，第一类谐振峰和第二类谐振峰显示在光谱仪上。
在具体的实施过程中，在一定范围的温度条件下，第三石英包层52的折射率不易受湿度变化的影响，上述第一类谐振峰的中心波长不易发生变化，因此第一类谐振峰对湿度变化不敏感，可用做温度标定；此外，聚酰亚胺膜53吸收水分后容易发生体积膨胀，从而引起聚亚酰胺膜53自身折射率和膜厚度的变化，最后导致上述第二类谐振峰发生漂移，故第二类谐振峰可用作湿度传感。
在具体的实施例中，所述管状空芯光纤5的两端与所述第一单模光纤3的输入端以及与所述第二单模光纤4的输出端的连接方式均为纤芯对准熔接，熔接时尽量避免管状空芯光纤5的第三石英包层52的坍塌。
具体的，所述管状空芯光纤5的空气芯51的直径大于所述第一单模光纤纤芯31的直径。
在具体的实施例中，所述第三石英包层52的折射率大于所述空气芯51的折射率,聚酰亚胺膜53的折射率大于第三石英包层52的折射率。具体的，所述空气芯51的折射率为1.0，所述第一石英包层32、第二石英包层42及所述第三石英包层52的折射率均为1.447，所述聚酰亚胺膜53的折射率为1.6，所述第一单模光纤纤芯3及所述第二单模光纤纤芯41的折射率均为1.45，这一设计能确保入射光在进入管状空芯光纤后形成反谐振导光效应。
在一些实施例中，所述管状空芯光纤5的总长度为8-24mm，为使光谱仪中显示出的谐振峰质量更高，需对所述聚酰亚胺膜53的长度进行设计，具体地，所述管状空芯光纤5的总长度设计为12.3mm，所述聚酰亚胺膜53包覆在所述第三石英包层52的中间部分，未包覆聚酰亚胺膜53的第三石英包层52和包覆有聚酰亚胺膜53的第三石英包层52的轴向长度分别为3.9mm和8.4mm。
在一些实施例中，所述空气芯51的直径为30-50μm，具体地，所述空气芯51的直径设计为30μm,所述聚酰亚胺膜53的轴向长度为5-15mm、其厚度为12-20μm，具体地，所述聚酰亚胺膜53的轴向长度为8.4mm，厚度为12μm，。具体地，所述第一石英包层32和所述第二石英包层42的直径为125μm，所述第三石英包层52的直径为126μm，。
为使本案实施例中的光纤湿度传感器在工作过程中避免温度湿度的交叉影响，本案设计一组使用该光纤湿度传感器在预定温度湿度条件下的对照实验，如图4所示，dip I表示第一类谐振峰，dip II表示第二类谐振峰，光纤湿度传感器被放置在温湿度试验箱中测量，箱内相对湿度设定保持40％RH(Relative Humidity，相对湿度)不变，箱内温度在20℃到80℃范围内进行温度上升和温度下降的测量。如附图4中(a)图及(b)图所示，dip II和dip I随着温度增加均向长波长方向漂移；为使实验所获得的温度与波长运动关联性结果更清晰，如附图4中(c)图及(d)图，记录不同温度下的谐振峰的中芯波长漂移量并进行线性拟合，得到温度上升时dip I和dip II的温度灵敏度分别为15.93pm/℃、17.13pm/℃，温度下降时dip I和dip II温度灵敏度分别为15.63pm/℃、17.58pm/℃，由此可见，第一类谐振峰和第二类谐振峰对温度的灵敏度差异很小，稳定在17pm/℃左右。如图5所示，dip II在20℃、50℃、80℃温度下表现稳定，湿度灵敏度稳定在约56pm/％RH附近。由此可见，传感器具备较宽的工作温度范围，本案实施例中提出的光纤湿度传感器受环境温度变化的影响较小，保证了湿度传感的探测精度和传感器工作的可靠性，第一类谐振峰还可以作为本实施例中光纤湿度传感器工作过程中的温度标定，使温度测量和湿度探测同时进行。
为使本案中的光纤湿度传感器在工作过程中实现对湿度的精确探测传感，本案设计了另一组使用该光纤湿度传感器在预定温度湿度条件下的对照实验，如图6所示，dip I表示第一谐振峰，dip II表示第二谐振峰，光纤湿度传感器被放置在温湿度试验箱中测量，箱内温度设置保持80℃不变，箱内相对湿度从20％到92％增加；在记录的光谱响应中，dipII随着湿度的增加向长波长方向移动，如附图6中(a)图及(b)图所示，dip I随着湿度的增加无明显移动，如附图6中(c)图及(d)图；为排除实验中小谐振峰对实验结果的影响，对附图6中(c)图及(d)图进行高斯滤波得到如附图7所示的结果，如附图7中(a)图及(b)图所示，dip I的中芯波长受湿度变化的漂移亦不明显，可确定dip I对湿度变化不敏感，如图8所示，通过测量不同湿度条件下的透射光谱并测量对应Dip I、Dip II的中心波长，最后对所测数据进行线性拟合可得Dip I、Dip II的湿度灵敏度分别为0.047±0.51pm/％RH、58.6±0.77pm/％RH。由此可见，Dip II对湿度表现出较高的灵敏度，适用于高灵敏度湿度测量，而Dip I对湿度变化不敏感。综上，dip II可以被用于高灵敏度的湿度测量，并且其受到的温度交叉影响可以通过测量dip I的波长漂移量来进行消除。
在本发明实施例所提供的自带温度标定的光纤湿度传感器，包括第一光纤跳线1、第二光纤跳线2、第一单模光纤3、第二单模光纤4及管状空芯光纤5，第一光纤跳线1的输出端与第一单模光纤3的输入端连接，第一单模光纤3的输出端与管状空芯光纤5的输入端连接，管状空芯光纤5的输出端与第二单模光纤4的输入端连接，第二单模光纤4的输出端与第二光纤跳线2的输入端连接，第一单模光纤3包括第一单模光纤纤芯31和第一石英包层32，第二单模光纤4包括第二单模光纤纤芯41和第二石英包层42，管状空芯光纤5包括空气芯51、第三石英包层52及包覆于所述第三石英包层52的外表面的聚酰亚胺膜53。上述的自带温度标定的光纤湿度传感器，能实现对温度和湿度的同时测量，运用光的反谐振导光原理，结合光纤与湿敏材料，构造出两种不同类型谐振腔，使入射宽带光在两种谐振腔下产生不同类型的谐振峰并显现在光谱仪中，由于该自带温度标定的光纤湿度传感器采用的材料性能受温度影响极小，且第一类谐振峰可以用于湿度传感时地温度标定并消除温度变化带来地交叉敏感，大幅提高了光纤湿度传感器的探测精度和使用可靠性，选定聚酰亚胺作为湿敏材料简化了湿度传感器的制备过程，降低了制备成本。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种自带温度标定的光纤湿度传感器，其特征在于，包括：一种自带温度标定的光纤湿度传感器，包括：第一光纤跳线、第二光纤跳线、第一单模光纤、第二单模光纤及管状空芯光纤；
所述第一光纤跳线的输入端连接宽带光源，所述第一光纤跳线的输出端与所述第一单模光纤的输入端连接，所述宽带光源用于提供宽谱光，所述第一光纤跳线用于将所述宽谱光引入所述第一单模光纤；
所述第一单模光纤包括第一单模光纤纤芯和第一石英层，所述第二单模光纤包括第二单模光纤纤芯和第二石英层，所述第一石英层包覆所述第一单模光纤，所述第二石英层包覆所述第二单模光纤；
所述管状空芯光纤包括空气芯、第三石英包层及聚酰亚胺膜，所述第三石英包层包覆于所述空气芯外表面，所述聚酰亚胺膜包覆于所述第三石英包层外表面,所述聚酰亚胺膜的轴向长度小于所述第三石英包层的轴向长度，所述第三石英包层的折射率大于所述空气芯的折射率，所述聚酰亚胺膜的折射率大于所述第三石英包层的折射率；
未包覆有所述聚酰亚胺膜的所述第三石英包层形成第一径向Fabry-Perot谐振腔，聚酰亚胺膜与包覆有所述聚酰亚胺膜的所述第三石英包层组合形成第二径向Fabry-Perot谐振腔；
所述宽谱光在所述第一径向Fabry-Perot谐振腔进行传播并激发产生第一类谐振峰，所述宽谱光在所述第二径向Fabry-Perot谐振腔进行传播并激发第二类谐振峰；
所述第二单模光纤的输出端与所述第二光纤跳线的输入端连接；
所述第二光纤跳线的输出端与光谱仪连接，所述第二光纤跳线用于将所述第一类谐振峰及所述第二类谐振峰叠加形成的光信号导入光谱仪。
2.根据权利要求1所述的自带温度标定的光纤湿度传感器，其特征在于，所述管状空芯光纤的两端与所述第一单模光纤的输入端以及与所述第二单模光纤的输出端的连接方式均为纤芯对准熔接。
3.根据权利要求1所述的自带温度标定的光纤湿度传感器，其特征在于，所述管状空芯光纤的空气芯的直径大于所述第一单模光纤纤芯的直径。
4.根据权利要求1所述的自带温度标定的光纤湿度传感器，其特征在于，所述第三石英包层的折射率大于所述空气芯的折射率。
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