CN210376137U - 一种基于微纳光纤和端面反射的湿度传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于微纳光纤和端面反射的湿度传感器，包括：激光光源、光功率计、耦合器和微纳光纤，所述激光光源与耦合器的第一端口连接，所述耦合器的第二端口与光功率计连接，所述耦合器的第三端口与微纳光纤连接，所述微纳光纤的表面涂覆有椰油酰胺丙基甜菜碱涂层。本实用新型装置结构简单，对待测环境的湿度检测精确度高，对环境湿度变化敏感度高。
Description
技术领域
本发明创造涉及光学技术领域，特别涉及一种基于微纳光纤和端面反射的湿度传感器。
背景技术
湿度是自然界中的一个重要的物理量。在众多领域中，包括健康、食物加工、工程监控、制药、农业等，都显示出重要的作用和意义。另外，湿度的变化会引起CAB(椰油酰胺丙基甜菜碱)折射率的变化，湿度的变化与折射率的变化量成一定关系，因而可通过测量折射率间接测量环境湿度。
微纳光纤以其损耗小、价格低廉、易于批量生产等优点，被广泛应用于探测、医疗、通信等各个领域，发挥着不可或缺的作用。近年来，由于微纳光纤具有倏逝场大，高非线性等优点，已经越来越多研究将其应用到测量物质的折射率方向。例如基于微纳光纤环形谐振腔的湿度传感器、基于微纳光纤的折射率传感器等，这些传感器体积较大、制备不简单、设计不灵活。
实用新型内容
本实用新型提供了一种结构简单的基于微纳光纤的湿度传感器。
本实用新型解决其技术问题的解决方案是：一种基于微纳光纤和端面反射的湿度传感器，包括：激光光源、光功率计、耦合器和微纳光纤，所述激光光源与耦合器的第一端口连接，所述耦合器的第二端口与光功率计连接，所述耦合器的第三端口与微纳光纤连接，所述微纳光纤的表面涂覆有椰油酰胺丙基甜菜碱涂层。
作为上述技术方案的进一步改进，所述激光光源的波长为1550nm。
作为上述技术方案的进一步改进，还包括基台，所述基台呈槽状，所述微纳光纤落入在基台的凹槽中，其中，基台的槽壁与微纳光纤抵接。
作为上述技术方案的进一步改进，所述微纳光纤的直径为1.0-5.0μm。
本实用新型的有益效果是：本实用新型装置结构简单，对待测环境的湿度检测精确度高，对环境湿度变化敏感度高。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员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设计方案和附图。
图1是本发明创造传感器的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本实用新型的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本实用新型的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本实用新型保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
实施例1，参考图1，一种基于微纳光纤和端面反射的湿度传感器，包括：激光光源100、光功率计300、耦合器200和微纳光纤500，所述激光光源100与耦合器200的第一端口连接，所述耦合器200的第二端口与光功率计300连接，所述耦合器200的第三端口与微纳光纤500连接，所述微纳光纤500的表面涂覆有椰油酰胺丙基甜菜碱涂层400。
所述微纳光纤500的左端与所述耦合器200的第三端口连接，所述微纳光纤500的右端面与待测环境接触。
本实施例的工作过程：
将所述微纳光纤500放入到待测环境中，激光光源100的光从耦合器200的第一端口输入，光束通过耦合器200后从耦合器200的第三端口输入到微纳光纤500中，输入的激光光束在微纳光纤500内在椰油酰胺丙基甜菜碱涂层400的作用下发生菲涅尔反射，产生倏逝波，形成倏逝场。倏逝波通过微纳光纤500后从耦合器200的第三端口进入耦合器200，所述倏逝波从耦合器200的第二端口输出到光功率计300检测，光功率计300检测倏逝波的光强。
所述椰油酰胺丙基甜菜碱涂层400的材质为椰油酰胺丙基甜菜碱，所述椰油酰胺丙基甜菜碱涂层400吸收了待测环境中的水分子后，其折射率便会发生变化，本实用新型通过收集椰油酰胺丙基甜菜碱涂层400吸水后的折射率信息，然后反推出待测环境的湿度。
所述椰油酰胺丙基甜菜碱涂层400吸收水之后的介电常数为：
其中，ε为椰油酰胺丙基甜菜碱涂层400吸收水之后的介电常数，ε1为椰油酰胺丙基甜菜碱涂层400的介电常数，所述ε2为水的介电常数；V2是高分子膜中吸收水的占空比，是与吸水量相关的参数，与温度、环境中的水蒸气分压有关。
纤维素以及派生物的吸水模型的公式为：
其中，
是最大吸水占空比，R是气体普适常数，T是开尔文式绝对温度，g是平均热力学势能，RH为湿度。
所述公式(1)为参考文献Looyenga,H.DIELECTRIC CONSTANTS OF HETEROGENEOUSMIXTURES[J].Physica,1965,31(3)；401-406中的公式(16)和公式(17)。
所述公式(2)为参考文献Ioelovich M.Study of sorption properties ofcellulose and its derivatives[J].BioResources,2011,6(1):178-195中的公式(7)和公式(8)。
因为V2是一个远小于1的数，因此忽略掉高阶项，只保留直流项和线性项，并代入公式(2)，得到如下：
利用ε＝n2(4)，其中n代表折射率，从中可以看到椰油酰胺丙基甜菜碱涂层400吸收水后的折射率和湿度之间的对应关系。通过测量出椰油酰胺丙基甜菜碱涂层400吸收水后的折射率，即可得到待测环境中的湿度。
根据Fresnel(菲涅尔)公式，反射光强Ir与入射光强Iin的关系为：
其中nf和nx分别为微纳光纤500有效折射率和椰油酰胺丙基甜菜碱涂层400吸收水后的折射率。激光光源100发射的光束光强以及耦合器200的分光比可知，可得到微纳光纤500的入射光强，同时微纳光纤500的有效折射率是可知的，根据公式(5)，即可计算得到倏逝波的反射光强与椰油酰胺丙基甜菜碱涂层400吸收水后的折射率的关系。所述光功率计300采集第二端口的倏逝波的光强，所述倏逝波的光强为微纳光纤500的反射光强。
将所述微纳光纤500的入射光强、反射光强和微纳光纤500的有效折射率代入公式(5)中，即可得到椰油酰胺丙基甜菜碱涂层400吸收水后的折射率，将得到的椰油酰胺丙基甜菜碱涂层400吸收水后的折射率代入公式(3)和公式(4)中，即可得到待测环境的湿度。
对本实用新型进行测试，将所述一种基于微纳光纤和端面反射的湿度传感器放置在写相对湿度温度在34.5％的待测环境中，本实用新型湿度传感器进行40分钟检测，测量得到的数据的标准偏差只有±0.2％，即证明了本实用新型湿度传感器对环境湿度检测的准确性。
所述椰油酰胺丙基甜菜碱涂层400的折射率对湿度变化非常敏感，湿度检测精度较高，同时结构稳定，热稳定性好，流平性好，透光性高。
本实用新型结构简单，对待测环境的湿度检测精确度高，利用微纳光纤500具有倏逝场大的特点，通过激光在微纳光纤500的右端面发生菲涅尔反射，通过光功率计300计算得到椰油酰胺丙基甜菜碱涂层400吸收后的折射率变化，通过椰油酰胺丙基甜菜碱涂层400吸水后的折射率变化得到环境湿度的变化。
作为优选的实施方式，所述激光光源100的波长为1550nm。
作为上述技术方案的进一步改进，还包括基台600，所述基台600呈槽状，所述微纳光纤500落入在基台600的凹槽中，其中，基台600的槽壁与微纳光纤500抵接。
所述基台600呈槽状，所述微纳光纤500落入在基台600的凹槽中，其中，基台600的槽壁与微纳光纤500抵接。所述基台600的槽壁包围着所述微纳光纤500，所述基台600起到了承接和保护所述微纳光纤500的作用。
作为优选的实施方式，所述微纳光纤500的直径为1.0-5.0μm。
所述微纳光纤500的直径为1.0-5.0μm，产生的倏逝波更强，效果更加明显。
意外发现，通过减小微纳光纤500的直径可提高本实用新型湿度传感器的灵敏度。因为微纳光纤500直径越小它的倏逝场越强，效果越明显。微纳光纤500直径越小，光的倏逝场效应越大，椰油酰胺丙基甜菜碱涂层400吸水后的折射率变化引起的光强差值越大，所以越灵敏。因此本实施例的微纳光纤500的直径为1.0-5.0μm。
以上对本实用新型的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (4)
1.一种基于微纳光纤和端面反射的湿度传感器，其特征在于，包括：激光光源、光功率计、耦合器和微纳光纤，所述激光光源与耦合器的第一端口连接，所述耦合器的第二端口与光功率计连接，所述耦合器的第三端口与微纳光纤连接，所述微纳光纤的表面涂覆有椰油酰胺丙基甜菜碱涂层。
2.根据权利要求1所述的一种基于微纳光纤和端面反射的湿度传感器，其特征在于，所述激光光源的波长为1550nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于微纳光纤和端面反射的湿度传感器，其特征在于，还包括基台，所述基台呈槽状，所述微纳光纤落入在基台的凹槽中，其中，基台的槽壁与微纳光纤抵接。
4.根据权利要求1所述的一种基于微纳光纤和端面反射的湿度传感器，其特征在于，所述微纳光纤的直径为1.0-5.0μm。
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Cited By (1)
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| CN114526834A (zh) * | 2020-10-30 | 2022-05-24 | 北京航天计量测试技术研究所 | 一种基于碱金属原子多普勒展宽效应的热力学温度测量装置 |
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2019
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