CN206772825U - 一种基于pva湿敏材料的细芯迈克尔逊干涉仪的折射率传感器 - Google Patents
一种基于pva湿敏材料的细芯迈克尔逊干涉仪的折射率传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型的目的在于提供一种基于PVA湿敏材料的细芯光纤迈克尔逊干涉仪的折射率传感器装置：由单模光纤(1)、细芯光纤(2)、微弧区域(3)和PVA薄膜(4)组成；单模光纤(1)、细芯光纤(2)、微弧区域(3)相连接并在细芯光纤(2)表面与微弧区域(3)表面涂敷PVA薄膜(4)构成全光纤的迈克尔逊干涉仪。PVA作为外界环境与折射率的转换器，当外界环境的湿度变化时，PVA薄膜(4)吸收水分子改变折射率，影响了包层模式的有效折射率，从而导致相位的改变，可以进行波长解调又可以进行强度解调。具有结构简单、成本低、灵敏度较高、结构微小，可以应用于实际工程中。
Description
技术领域
本实用新型提供一种基于PVA湿敏材料的细芯光纤迈克尔逊干涉仪的折射率传感器，属于光纤传感技术领域。
背景技术
光纤折射率传感器作为光纤传感器的一种已经吸引了广泛的注意，因为它具有结构微小，灵敏度高，容易制造等优势。近些年来，基于SPR，包层腐蚀，拉锥结构，光纤光栅等结构的光纤折射率传感器已经被提出，在这些不同的结构类型中基于细芯光纤的传感器占了一部分，例如在细芯光纤上进行刻蚀等。尽管这些方法都在一定程度上提高了传感器的灵敏度，但是仍然存在一些方面的缺陷。例如基于光纤光栅的结构存在温度的交叉灵敏度，基于错位的结构柔韧性较差，还有一些需要化学腐蚀的处理过程，都增加了制作过程中的困难。为了解决以上问题，研究了一类高折射率传感器，这种传感器具有成本低、容易制作，对温度不敏感，既可以进行波长解调又可以进行强度解调等优点。
一种基于模式激发细芯光纤的高折射率传感器可以实现纤芯模与包层模的模式干涉，并且该传感器不存在二级的干涉谱，不需要电脑进行数据的过滤。当使用该传感器对外界环境折射率进行测量时，每当改变外界折射率时都会使干涉谱发生漂移，反射谱的波长和强度也会相应发生改变，通过对反射谱的波长或强度进行解调，可以实现折射率的测量，外界温度从25℃增加到90℃，反射谱的波长和强度没有明显变化，因此该传感器是温度不敏感的折射率传感器。
为了获得较大的测量范围，提高干涉谱的强度，许多基于PVA湿敏材料的湿度传感器已经被提出，一种基于单模+多模+单模结构，涂敷了PVA，灵敏度为0.16nm/％RH；一种基于腐蚀的高双折射率环镜结构，该结构涂敷了PVA湿敏材料，灵敏度达到了0.98nm/％RH，响应时间小于6s；一种基于PCF端面高级次包层模激发的迈克尔逊结构，该结是在端面镀上了PVA，在高湿度区域灵敏度可以达到0.6nm/％RH；一种基于LPG的迈克尔逊结构，经过涂敷PVA，灵敏度为0.6nm/％RH；一种将PVA涂敷在TFBG表面的传感结构，灵敏度为～1.80 μW/％RH。从这些研究结果可以看出PVA湿敏膜是很好的折射率-外界湿度的转换器。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种基于PVA湿敏材料的细芯光纤迈克尔逊干涉仪的折射率传感器装置，通过光纤表面涂敷PVA作为外界环境与折射率的转换器，将所要测量的湿度转化为对折射率的测量，通过折射率的变化量再转化为探测信号的波长漂移量。具有结构简单、成本低、灵敏度较高等特点。
本实用新型通过以下方案实现：
一种基于PVA湿敏材料的细芯光纤迈克尔逊干涉仪的折射率传感器由单模光纤(1)、细芯光纤(2)、微弧区域(3)和PVA薄膜(4)组成。图1是该迈克尔逊干涉仪的结构示意图(最外层为PVA薄膜)，其中单模光纤(1)、细芯光纤(2)均可采用G.652单模光纤，细芯光纤(2)的纤芯和包层直径分别为2μm～5μm和120μm～130μm，细芯光纤(2)的长度L约为2mm～5mm，微弧区域(3)的长度l为40μm～50μm。接下来是涂敷PVA工作，光纤结构固定在浸涂镀膜机上，将去除光学表面的残留有机物并干燥后的光纤端面侵入PVA溶液，使光纤端面形成均匀的湿敏膜。最后，得到一种基于PVA湿敏材料的细芯光纤迈克尔逊干涉仪的折射率传感器结构。
本实用新型的工作原理是：当带宽光源发出的光在单模光纤纤芯中传输的基模到达第一个熔接点时，分束并激发出一部分细芯光纤的包层模，微弧的端面激发出更高级次的包层模，当纤芯模与包层模在第一个熔接点耦合在一起时，具有一定的相位延迟，从而实现纤芯模与包层模的模式干涉。在此基础上，在光纤表面涂敷PVA，那么PVA就作为外界环境与折射率的转换器。当外界环境比较潮湿的时候，涂敷在光纤端面的PVA会吸收外界环境中的水分子，使湿敏膜膨胀改变它的折射率，影响了包层模式的有效折射率。从而导致相位的改变，这里的相位的改变可以写成：
其中Δneff是纤芯和包层中有效折射率差，l1是细芯光纤的长度L的2倍，λ是工作波长，是初始相位。当湿度变化时，影响湿敏膜的折射率，从而影响包层模式的有效折射率，使纤芯和包层中有效折射率差Δneff发生改变，从而改变了包层与纤芯之间的相位差φ，干涉条纹发生漂移，通过监测干涉谱的漂移量可以还原待测信号。
本实用新型的好处是：该迈克尔逊干涉仪由一段细芯光纤与单模光纤相连接，并对细芯光纤的端面进行放电使其端面微弧，微弧端面可以激发更高级次的包层模，该传感器成本低，容易制作，对温度不敏感，在该结构的基础上在光纤表面涂敷PVA，PVA作为外界环境与折射率的转换器，将对湿度的测量转化对折射率的测量。随着外界湿度从30％RH增加到90％RH，当湿度范围为30％RH～60％RH时，波长漂移很小；当湿度范围为60％RH～90％RH 时，波长漂移很大，具有高灵敏度，较好稳定性与重复性。
附图说明
图1是本实用新型的基于PVA湿敏材料的细芯迈克尔逊干涉仪的折射率传感器示意图；
图2是本实用新型结构传感器在不同湿度的情况下反射光谱的变化情况；
图3是本实用新型的湿度灵敏度曲线图
具体实施方式
下面结合附图及实施实例对本实用新型作进一步描述：
一种基于PVA湿敏材料的细芯光纤迈克尔逊干涉仪的折射率传感器可以通过如下方式获得：将一段细芯光纤与单模光纤通过熔接机(TYPE-81C)熔接在一起，用切割刀切取长度约为2mm的细芯光纤。设置熔接机的放电强度为标准强度+7bit，放电时间为10,000ms，对细芯光纤的另一端放电使其变成弧形。图1是该迈克尔逊干涉仪的结构示意图(最外层为PVA薄膜)，其中细芯光纤的纤芯和包层直径分别为4μm和124.5μm，细芯光纤的长度L约为2mm，微弧区域的长度l为45.08μm。接下来是涂敷PVA工作，为了去除光学表面的残留有机物，将光纤端面侵入浓度为98％的浓硫酸与浓度为30％的双氧水(体积比为7∶3)的混合溶液中60min，取出，然后用去离子水充分洗净，再用高纯度的氮气吹干。然后将干燥后的光纤结构固定在浸涂镀膜机上，光纤端面以速度为30mm/s下降，侵入浓度为9％的PVA 溶液，缓慢取出，在空气中静置，确保光纤端面的湿敏膜均匀，最后将光纤放在80℃烤箱中加热1h即可。最后得到一种基于PVA湿敏材料的细芯光纤迈克尔逊干涉仪的折射率传感器结构。
光纤折射率传感器的实验装置：
带宽光源发出的光经过环行器进入到传感头，然后将传感头内反射的光通过耦合器传输到光谱仪内。为了测量该传感头对湿度的响应变化，将传感头放入一个封闭的湿度箱内，通过向里面泵入干燥或湿润的气体来控制湿度箱内湿度，同时湿度箱内的湿度计用来监测湿度箱内湿度变化。其中干燥的气体是高浓度的干燥的氮气，湿润的气体是通过将干燥的气体泵入到去离子水中再将其通入到湿度箱内。实验过程中湿度检测范围为 30％RH-85％RH。通过光谱仪可以观察到随着湿度箱内湿度的改变，干涉光谱也随之变化。湿度箱的温度保持在室温条件下。
图2显示了涂敷浓度为9％的PVA传感器随着外界环境湿度的改变，反射光谱的变化情况。根据该结构的折射率测量特性可知随着外界环境折射率的减小，波长发生了蓝移。干燥条件下的PVA湿敏膜的折射率为1.53，当外界环境湿度增加时，PVA湿敏膜吸收了环境中大量的水蒸汽(水的折射率为1.33)，湿敏膜折射率将会减小；随着外界湿度从30％RH增加到90％RH，当湿度范围为30％RH～60％RH时，波长漂移很小，湿度灵敏度为0.0235nm/RH；当湿度范围为60％RH～90％RH之间时，波长漂移很大，湿度灵敏度为0.2711nm/RH，且都发生了蓝移。图3为外界环境变化的湿度与干涉峰波长的拟合图。
Claims (2)
1.一种基于PVA湿敏材料的细芯迈克尔逊干涉仪的折射率传感器装置，其特征在于：由单模光纤(1)、一段细芯光纤(2)、微弧区域(3)和PVA薄膜(4)组成；单模光纤(1)、细芯光纤(2)、微弧区域(3)相连接并在细芯光纤(2)表面与微弧区域(3)表面涂敷PVA薄膜(4)构成全光纤的迈克尔逊干涉仪。
2.根据权利要求1所述的一种基于PVA湿敏材料的细芯迈克尔逊干涉仪的折射率传感器装置，其特征在于：单模光纤(1)、细芯光纤(2)、微弧区域(3)均可采用G.652单模光纤，在细芯光纤(2)表面与微弧区域(3)表面涂敷PVA，厚度均匀；细芯光纤(2)的纤芯和包层直径分别为2μm～5μm和120μm～130μm，细芯光纤(2)的长度L为2mm～5mm，微弧区域(3)的长度l为40μm～50μm。
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