CN210665500U - 基于马赫曾德干涉的光纤湿度传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于马赫曾德干涉的光纤湿度传感器，由光电探测器，宽带光源，传感器，湿度箱，湿度计，气泵，法兰盘，吸湿装置，蒸馏水装置，橡皮管，第一塑料软管，第二塑料软管，单模光纤组成。当湿度箱湿度值逐渐增加时，由宽带光源发出的光，通过传感器，变成一段连续波长的干涉峰，通过光电探测器输出到示波器，通过湿度值与灵敏度关系从而得出该环境下的湿度值。由于M‑Z系统的特点及光纤湿度传感器的优点，该发明具有抗电磁干扰，耐腐蚀，且不受光源波动影响，可循环利用，成本低，制作简便，并能在高低湿度环境内保持良好的湿度特性的优点，具有很好的实用价值和应用前景。
Description
技术领域
本发明属于高灵敏度湿度测量的技术领域，具体涉及一种基于马赫曾德干涉的光纤湿度传感器。
背景技术
基于马赫曾德干涉的光纤湿度传感器从20世纪末至21世纪初之间迅速发展，极大的推动了传感技术的发展，拓宽了光纤的应用范围。
由于光纤马赫曾德湿度干涉仪中环境湿度值与透射谱光功率损耗比存在线性关系，可以实现对环境湿度值的连续高精度检测，且具有抗电磁干扰，耐腐蚀，制作简单，成本低且能循环利用等优点，具有很好的实用价值。
光电探测器是能将光信号转化为电信号的的光电器件,它的工作原理是基于光电效应,利用这个特性可以进行显示及控制的功能,光电探测器可以用来代替人眼,且具有光谱响应范围宽,灵敏度高,稳定性好的特点,已经被广泛应用。
由于光纤马赫曾德湿度传感器有很高的环境稳定性要求且其安装拆卸操作繁琐复杂，使这样的传感器难以实现短时间多次进行轮回的湿度测量，且极易被移动或者在拆卸过程中损坏光纤而产生较大测量误差，所以用贴纸等固定光纤易动易损位置，可以减小对光纤的位置变化，提高测量稳定性和精度。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于以光纤M-Z结构为传感器主要结构，以透射光谱的损耗比与环境湿度值的关系为基础，及光纤湿度传感器的优点,对环境的湿度值进行精确测量。
本发明通过以下技术方案实现：基于马赫曾德干涉的光纤湿度传感器，由光电探测器(1)，宽带光源(2)，传感器(3)，湿度箱(4)，湿度计(5)，气泵(6)，法兰盘(7)，吸湿装置(8)，蒸馏水装置(9)，橡皮管(10)，第一塑料软管(11)，第二塑料软管(12)，单模光纤(13)组成。其特征在于：传感器(3)的马赫曾德干涉结构为错位结构，该错位结构由两段光纤光栅错位熔接而成；错位范围为3-6.5微米；错位结构表面涂有明胶，长度为3mm，湿度灵敏度为0.1553dB/％RH；宽带光源(1)通过单模光纤(13)和法兰盘(7)与湿度箱(4)里的传感器(3)一端连接，另一端接光电探测器(1)输出波形。通过测得的波谱图及M-Z干涉透射光谱的光功率与其干涉腔内环境湿度值存在的线性关系，实现对环境湿度值的检测。湿度箱规格为14cm*5cm*8cm，底部中心开一条1mm*5mm的缝隙，便于湿度计(5)芯片穿过，且与传感器(3)湿度传感部分靠近，距离湿度箱(4)底部为0.5mm的左右两端各开一个直径1mm的圆形小孔，方便传感器(3)通过，气泵(6)两端先通过第一塑料软管(11)，后用橡皮管(10)分别连接到吸湿装置(8)和蒸馏水装置(9)，再分别用橡皮管(10)和第二塑料软管(12)连接到湿度箱(4)的两端接口。为防止光纤移动或拆卸损坏从而产生测量误差，须有固定光纤的装置，即贴纸固定。
所述吸湿装置(8)内用无水硅胶材料填充2/3容器体积，蒸馏水装置(9)内用蒸馏水填充2/3容器体积。
所述的传感器(3)的马赫曾德干涉结构为错位结构，该错位结构由两段光纤光栅错位熔接而成；错位范围为3-6.5微米；错位结构表面涂有明胶，长度为3毫米，湿度灵敏度为0.1553dB/％RH
所述传感器(3)的光纤光栅中心波长为1542nm。
本发明的工作原理是：基于M-Z错位结构干涉的干涉特性，整个结构由错位点1、错位点2和光源信号组成，光源信号在错位点1和错位点2处由于分别进行一次分光、合光现象，根据公式：
Δ＝(n-n0)L (1)
其中Δ为光程差，n、n0分别为光信号经过传感臂、参考臂的折射率，L为光信号经过的长度(两者处理成相等)。
当向湿度箱中充入水蒸气时，由于涂有明胶湿敏材料，光纤M-Z湿度传感器传感部位的包层模有效折射率改变，而纤芯模有效折射率保持不变，由(1)可知两者发生干涉，在一定波长下的干涉强度值可用下式表示：
I是干涉的输出光场强度，Icore是光纤纤芯模中的光场强度，
是在外界湿度值改变导致湿敏材料吸湿激发包层模的光场强度，L是光纤长度，
是纤芯模中的有效折射率，
是被激发的mth阶的包层的有效折射率，将上式对折射率求倒数，可以得到该M-Z干涉仪在检测有效折射率时的灵敏度为：
不难看出，L越大，传感系统的灵敏度越高，且被激发的包层模的有效折射率是随着周围环境的折射率按一定函数关系变化的，根据相位匹配条件：
可以得出该干涉的共振波长的位置与包层模折射率之间的关系为：
综上所述，可以得出，被激发的m阶包层模的有效折射率改变量大小决定了该M-Z过程湿度传感器的灵敏度大小，并且其改变量适当增加，可使系统的灵敏度有所提高。
而包层模有效折射率的改变量并不是那么好测量，由损耗公式：
此时，灵敏度损耗与湿度值关系公式为：
所以,不难看出，随着环境湿度值的增加，明胶材料吸湿改变自身折射率从而影响包层模有效折射率
下降，在特定波长下能得出该传感器的灵敏度。
本发明的有益效果是：本发明的设计中以光纤M-Z结构为传感器主要结构，以透射光谱的损耗比与环境湿度值的关系为基础，及光纤湿度传感器的优点,对环境的湿度值进行精确测量。排除了光纤移动或拆卸损坏产生的测量影响，能实现快速稳定多次测量，且测量精确度较高，具有很强的创新性和实用价值，有良好的应用前景。
附图说明
图1是基于马赫曾德干涉的光纤湿度传感器详细结构示意图。
图2是吸湿装置详细结构示意图。
图3是蒸馏水装置结构示意图。
图4是传感器结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，基于马赫曾德干涉的光纤湿度传感器，由光电探测器(1)，宽带光源(2)，传感器(3)，湿度箱(4)，湿度计(5)，气泵(6)，法兰盘(7)，吸湿装置(8)，蒸馏水装置(9)，橡皮管(10)，第一塑料软管(11)，第二塑料软管(12)，单模光纤(13)组成。传感器(3)的马赫曾德干涉结构为错位结构，该错位结构由两段光纤光栅错位熔接而成；错位范围为3-6.5微米；错位结构表面涂有明胶，长度为3mm，湿度灵敏度为0.1553dB/％RH；宽带光源(1)通过单模光纤(13)和法兰盘(7)与湿度箱(4)里的传感器(3)一端连接，另一端接光电探测器(1)输出波形。通过测得的波谱图及M-Z干涉透射光谱的光功率与其干涉腔内环境湿度值存在的线性关系，实现对环境湿度值的检测。湿度箱规格为14cm*5cm*8cm，底部中心开一条1mm*5mm的缝隙，便于湿度计(5)芯片穿过，且与传感器(3)湿度传感部分靠近，距离湿度箱(4)底部为0.5mm的左右两端各开一个直径1mm的圆形小孔，方便传感器(3)通过，气泵(6)两端先通过第一塑料软管(11)，后用橡皮管(10)分别连接到吸湿装置(8)和蒸馏水装置(9)，再分别用橡皮管(10)和第二塑料软管(12)连接到湿度箱(4)的两端接口。为防止光纤移动或拆卸损坏从而产生测量误差，须有固定光纤的装置，即贴纸固定。
Claims (3)
1.基于马赫曾德干涉的光纤湿度传感器，由光电探测器(1)，宽带光源(2)，传感器(3)，湿度箱(4)，湿度计(5)，气泵(6)，法兰盘(7)，吸湿装置(8)，蒸馏水装置(9)，橡皮管(10)，第一塑料软管(11)，第二塑料软管(12)，单模光纤(13)组成；其特征在于：传感器(3)的马赫曾德干涉结构为错位结构，该错位结构由两段光纤光栅错位熔接而成；错位范围为3-6.5微米；错位结构表面涂有明胶，长度为3mm，湿度灵敏度为0.1553dB/％RH；宽带光源(2)通过单模光纤(13)和法兰盘(7)与湿度箱(4)里的传感器(3)一端连接，另一端接光电探测器(1)输出波形,湿度箱(4)下方开一条1mm*5mm的缝隙，便于湿度计(5)芯片穿过，且与传感器(3)靠近，距离湿度箱(4)底部为0.5mm的左右两端各开一个直径1mm的圆形小孔，气泵(6)两端先通过第一塑料软管(11)，后用橡皮管(10)分别连接到吸湿装置(8)和蒸馏水装置(9)，再分别用橡皮管(10)和第二塑料软管(12)连接到湿度箱(4)的两端接口。
2.根据权利要求1所述的基于马赫曾德干涉的光纤湿度传感器,其特征在于:传感器(3)的光纤光栅中心波长为1542nm。
3.根据权利要求1所述的基于马赫曾德干涉的光纤湿度传感器,其特征在于:吸湿装置(8)内用无水硅胶材料填充2/3容器体积，蒸馏水装置(9)内用蒸馏水填充2/3容器体积。
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