CN212301270U - 基于氧化石墨烯增敏的光纤马赫-曾德尔干涉湿度传感器 - Google Patents
基于氧化石墨烯增敏的光纤马赫-曾德尔干涉湿度传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种基于氧化石墨烯增敏的光纤马赫‑曾德尔干涉湿度传感器，包括依次连接的入射光纤、分束器、干涉臂、合束器和出射光纤；入射光纤用于输入光信号，分束器使得从入射光纤中进来的光信号经过分束器耦合到干涉臂中，干涉臂用于形成传输不同的光波传输模式同时接收外界环境变化信息；合束器使得从干涉臂中进来的光信号经过合束器耦合到出射光纤中；出射光纤用于输出光信号，并将光信号传输到检测设备中。本实用新型对干涉臂部分的少模光纤进行了化学腐蚀处理增加倏逝波泄漏，并在该区域的光纤表面涂覆氧化石墨烯薄膜以提高对水分子的吸附性能，利用涂覆氧化石墨烯薄膜的少模光纤与周围环境中的氨气分子相互作用达到优化传感的目的。
Description
技术领域
本实用新型提出了一种基于氧化石墨烯增敏的光纤马赫-曾德尔干涉湿度传感器，属于光纤传感技术领域。
背景技术
相对湿度传感至关重要，广泛用于食品加工，农业生产，生物制药，仪器制造和结构健康监测等各种领域。尽管传统的电化学相对湿度(RH)传感器具有测量精度高的优点，但该类传感器在易腐蚀，强电磁干扰和远程检测的环境中应用受到限制。自从光纤传感器问世以来，由于其结构紧凑，抗电磁干扰，响应时间快，精度高，稳定性好等优点，它被认为是克服了电化学湿度传感器缺点的理想选择。如今，研究者已经开发出了各种基于不同传感原理和结构的光纤传感器来检测相对湿度，包括光纤布拉格光栅(FBG)、长周期光栅(LPG)、法布里-珀罗(FP)光纤传感器、马赫-曾德尔干涉仪(MZI)、迈克尔逊和萨格纳克干涉仪、侧抛光光纤、微纳光纤或微纳光纤谐振环，以及表面等离振子共振。特别地，一些湿度传感器由空心光纤，无芯光纤、塑料光纤、少模光纤、保偏光纤和光子晶体光纤制备。但是，不少这些传感器存在局限性：微纳光纤结构难以制备且非常脆弱；光纤FBG或FP结构制造复杂；光子晶体光纤价格昂贵。各种湿敏材料用于光纤湿度传感器，以使其对相对湿度变化更加敏感，例如聚酰亚胺、壳聚糖、PMMA、金属氧化物、琼脂糖凝胶、聚乙烯醇(PVA)和二硫化钨。一些用于湿度传感的增敏材料(例如PVA，琼脂糖和壳聚糖)存在片径纵横比小的缺点，这限制了它们检测相对湿度变化的能力。此外，湿度传感应用还必须平衡湿敏材料获取、涂覆难度以及传感效果是否良好之间的关系。
石墨烯是一种新型的二维碳材料，具有比表面积大、导热系数高、机械强度大等优良性能。氧化石墨烯(GO)是石墨烯最重要的衍生物之一，它在保留着石墨烯众多特性的同时，其表面丰富的含氧官能团使得其有着良好的分散性、亲水性、高长宽比等特性，可以稳定的分散于水溶液或者乙醇溶液中。在湿度传感领域，GO具有独特的亲水性和较大的表面积，可以与外部水分子充分相互作用，因此该材料具有优异的吸湿性。利用GO薄膜吸湿膨胀和干燥消溶胀的特性，可制成光纤湿度传感器。各种研究报告表明，GO具有比其他材料(如聚乙烯醇(PVA)，琼脂糖和壳聚糖)更强的湿度传感效果。
马赫-曾德尔干涉型光纤传感器通过采用干涉测量法产生相位调制以便获得较高的灵敏度和分辨率，特别是基于马赫-曾德尔干涉仪的新型光纤传感器具有许多优点，例如插入损耗低，制造方法简单，结构紧凑，成本低。因此，该类型的光纤传感器中被用以测量各类参数，其发展前景相当广阔。高灵敏度的马赫-曾德尔光纤传感仪结合氧化石墨烯的良好吸湿性能，传感器的灵敏度将会得到进一步的提升。
实用新型内容
有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本实用新型旨在提供一个低成本、易制备、灵敏度高的光纤湿度传感器。
本实用新型通过以下技术手段解决上述问题：
一种基于氧化石墨烯增敏的光纤马赫-曾德尔干涉湿度传感器，包括：入射光纤、分束器、干涉臂、合束器和出射光纤；干涉臂包括第一干涉臂和第二干涉臂；入射光纤的输出端连接分束器输入端，分束器的输出端连接第一干涉臂和第二干涉臂的输入端，第一干涉臂和第二干涉臂的输出端连接合束器的两个输入端，合束器的输出端与出射光纤的输入端连接。
入射光纤，该光纤用于输入光信号；
分束器，为直径125μm、长度10mm的无芯光纤，分束器与入射光纤和干涉臂连接，使得从入射光纤中进来的光信号经过分束器耦合到干涉臂中。
干涉臂由直径125μm的少模光纤组成，包括第一干涉臂和第二干涉臂；第一干涉臂与第二干涉臂分别对应干涉臂少模光纤的包层与纤芯部分，其输入端与分束器连接，其输出端与合束器连接。其中，所述的干涉臂少模光纤是使用氢氟酸溶液腐蚀掉少模光纤(18.5/125μm)的部分包层，使得周围环境湿度的变化引起光纤倏逝波的改变。处理后的少模光纤直径大约为100μm。作为一种优选的技术方案，并在被腐蚀区域的光纤表面涂覆氧化石墨烯薄膜，用于提高对水分子的吸附与解吸附，进而增强对相对湿度变化的感知。本实施例中，干涉臂的长度为30mm。
合束器，为直径125μm、长度10mm的无芯光纤，合束器与出射光纤和干涉臂连接，使得从干涉臂中进来的光信号经过合束器耦合到出射光纤结构中。
出射光纤，由单模光纤构成，用于输出光信号，并将光信号传输到检测设备中。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果至少包括：
本实用新型是基于马赫-曾德尔干涉仪，通过调制干涉臂光纤包层、纤芯的光传播状态，引起输出光的相位差变化，通过探测输出干涉光谱中的波长漂移可以反推外部环境的相对湿度变化。在传感器结构中，分束器将使光束分别进入干涉臂光纤的纤芯和包层。干涉臂经过化学处理包层直径减小，经过该区域的光形成倏逝场与外界环境变化的交互更为敏感。为进一步提高灵敏度，在干涉臂锥形区域的光纤表面涂覆氧化石墨烯，这将有助于感知外部相对湿度的变化。当氧化石墨烯薄膜表面的官能团吸附水分子时，氧化石墨烯薄膜有效折射率发生改变将影响相邻光纤包层的折射率。光纤折射率的变化将影响传播光束的相位并最终反映干涉谱中的波长漂移响应，可用于检测相对湿度。本实用新型所述的基于氧化石墨烯增敏的光纤马赫-曾德尔干涉湿度传感器结合了马赫-曾德尔干涉仪结构和少模光纤更大模场直径、较少模式干扰的优势，具有低成本、结构简单、高灵敏度、高稳定性等特点。
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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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是本实用新型实施例基于氧化石墨烯增敏的光纤马赫-曾德尔干涉湿度传感器的传感头结构示意图；
图2是本实用新型实施例基于氧化石墨烯增敏的光纤马赫-曾德尔干涉湿度传感器透射谱随氨气浓度改变的变化；
图3是本实用新型实施例基于氧化石墨烯增敏的光纤马赫-曾德尔干涉湿度传感器干涉光谱监测波谷的中心波长与相对湿度变化的关系及其线性拟合；
在附图中，各附图标记表示：1、入射光纤；2、分束器；3、干涉臂；31、第一干涉臂；32、第二干涉臂；4、氧化石墨烯薄膜；5、合束器；6、出射光纤。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型的具体实施作进一步详细的说明，但本实用新型的实施和保护范围不限于此，对本实用新型作实质相同的等同替换均属于本实用新型的保护范围。
本实用新型提出了一种基于氧化石墨烯增敏的光纤马赫-曾德尔干涉湿度传感器，如图1所示，包括：入射光纤1、分束器2、干涉臂3、合束器5和出射光纤6；干涉臂3包括第一干涉臂31和第二干涉臂32；入射光纤1的输出端连接分束器2输入端，分束器2的输出端连接第一干涉臂31和第二干涉臂32的输入端，第一干涉臂31和第二干涉臂32的输出端连接合束器5的两个输入端，合束器5的输出端与出射光纤6的输入端连接。
入射光纤1，由单模光纤组成，该光纤用于输入光信号；
分束器2，为直径125μm、长度10mm的无芯光纤，与入射光纤1和干涉臂3连接，使得从入射光纤1中进来的光信号经过分束器2耦合到干涉臂3中。
干涉臂3，由长度为30mm的少模光纤(18.5/125μm)组成，包括第一干涉臂31和第二干涉臂32；第一干涉臂31与第二干涉臂32分别对应干涉臂3少模光纤的包层与纤芯部分，其输入端与分束器连接，其输出端与合束器连接。其中，所述的干涉臂3少模光纤是使用氢氟酸溶液腐蚀掉少模光纤的部分包层，使得周围环境湿度的变化引起光纤倏逝波的改变。处理后的少模光纤直径大约为100μm。
作为一种优选的技术方案，并在干涉臂3被腐蚀区域的光纤表面涂覆氧化石墨烯薄膜4，用于提高对水分子的吸附与解吸附，进而增强对相对湿度变化的感知。
合束器5，结构与分束器2相同，为直径125μm、长度10mm的无芯光纤，合束器5与出射光纤1和干涉臂3连接，使得从干涉臂3中进来的光信号经过合束器5耦合到出射光纤6结构中。
出射光纤6，由单模光纤构成，用于输出光信号，并将光信号传输到检测设备中。
本实施例的上述光纤湿度传感器中，由两段单模光纤、两段无芯光纤、一段少模光纤交替熔接而成。光信号射入到由少模光纤充当的干涉臂3部分，一部分耦合到光纤包层第一干涉臂31，另一部分耦合到光纤纤芯第二干涉臂32当中。光纤直径在少模光纤被腐蚀区域减小，进入包层的光在光纤表面形成强烈的消逝场，并使表面的氧化石墨烯薄膜的有效折射率变化敏感。在传输干涉臂3的长度L之后，由于第一干涉臂31与第二干涉臂32之间的传播常数不同，光波在两波导之间将发生相位延迟。最后，当两部分光经合束器5到达出射光纤6中时，干涉将发生在出射光纤6的纤芯中。光纤氨气传感器输出强度和相位差如下：
Icore和Icladding分别是第一干涉臂31和第二干涉臂32中的光强度，I是输出强度；L是干涉臂3的长度，Δneff是干涉臂3的芯层和包层之间的有效折射率差；λ是光的波长；
是相位差，等式中的
等于(2k+1)π，k阶模式干涉输出谱的波谷波长可以表示为:
从等式(3)中可以知道当Δneff变化时，透射谱波谷的波长将发生偏移。
涂覆在少模光纤表面的氧化石墨烯(GO)薄膜作为湿度敏感材料是传感器增敏的重要环节，水分子与氧化石墨烯的结合改变GO的有效折射率，因而可以达到对湿度增强敏感性的作用。光纤包层表面覆盖的GO薄膜可被认为是拼接起来的多原子层氧化石墨烯，其在湿度传感中发挥了关键作用。随着相对湿度的增加，GO薄膜将吸收更多的水分子。一方面，吸收的水分子将填充GO层的切片，这将导致GO膜直接膨胀，从而改变GO薄膜的有效折射率。另一方面，GO具有p型半导体导电特性，而水分子则是电子的受主，所以水分子在GO表面的吸附会增加GO表面载流子(空穴)的密度。随着湿度的增加，越来越多的水分子被吸附于GO膜层的表面，GO载流子密度随之增加。然后，GO的费米能级在狄拉克点上增加，这导致带间跃迁的阻滞和导电率的降低。氧化石墨烯薄膜的有效折射率对化学势μc的变化敏感。电导率σ和氧化石墨烯的μc之间的关系可以通过以下等式计算：
其中e是电子的电荷，kB是玻尔兹曼常数，T是环境温度，而
是普朗克常数，ω，Γ分别代表传输光圆频率、散射率，j为虚单位。大量的电荷转移将不可避免地导致氧化石墨烯的电导率的变化，进而导致氧化石墨烯本身的有效折射率的变化。紧密附着在光纤表面上的氧化石墨烯和光纤可以看作是混合波导，因此光纤的有效折射率会受到影响。一系列变化最终反映了光纤干涉光谱的可见实时的波长漂移。
在相对湿度测量实验中，将所述光纤湿度传感器放入封闭的恒温恒湿箱内，气室温度保持在25℃条件下，光纤湿度传感器输入端连接宽带光源，输出端连接光谱仪。通过控制调节恒温恒湿箱内的相对湿度，获取光纤湿度传感器的输出光谱变化检测相对湿度变化。
图2及图3所示，在实验室环境下，恒温恒湿箱中从湿度为35％增加到95％。很明显观察到干涉波谷的波长漂移。随着RH的增加，GO薄膜会吸收更多的水分子。被吸收的水分子将充满GO层切片之间的缝隙，这将直接导致GO薄膜膨胀。由于涂覆的GO层厚度是一定的，因此水分子无法持续渗透，更多吸收的水分子进入GO层之间受到限制而附着在GO膜的外层表面上。由于氧化石墨烯的超高载流子活性，吸收的水分子与羟基、羧基等功能性含氧基团形成氢键发生电荷交换，其中水分子可以充当电子受体。这将导致GO的表面电荷载流子(空穴)密度将增加，GO的电导率与介电常数会增加，GO的有效折射率也会发生改变。由于GO与光纤包层紧密接触，光纤包层的有效折射率也会受到影响，部分包层模式被改变最终导致透射光谱向短波长方向移动。为了获得传感器的敏感度，测量了光纤传感器透射光谱在1564nm处共振谷波长随相对湿度的变化，如图3所示。其中，离散点表示的是监测波谷的波长变化，而实线则表示对应的线性拟合。从图3可以看出，在RH范围为
的湿度范围内，灵敏度为0.185nm/％RH，线性相关系数为97.9％；在RH范围为
的湿度范围内，灵敏度为0.061nm/％RH，线性相关系数为98.5％。
本实用新型是基于马赫-曾德尔干涉仪，通过调制干涉臂光纤包层、纤芯的光传播状态，引起输出光的相位差变化，通过探测输出干涉光谱中的波长漂移可以反推外部环境的相对湿度变化。在传感器结构中，分束器将使光束分别进入干涉臂光纤的纤芯和包层。干涉臂经过化学处理包层直径减小，经过该区域的光形成倏逝场与外界环境变化的交互更为敏感。为进一步提高灵敏度，在干涉臂锥形区域的光纤表面涂覆氧化石墨烯，这将有助于感知外部相对湿度的变化。当氧化石墨烯薄膜表面的官能团吸附水分子时，氧化石墨烯薄膜有效折射率发生改变将影响相邻光纤包层的折射率。光纤折射率的变化将影响传播光束的相位并最终反映干涉谱中的波长漂移响应，可用于检测相对湿度。本实用新型所述的基于氧化石墨烯增敏的光纤马赫-曾德尔干涉湿度传感器结合了马赫-曾德尔干涉仪结构和少模光纤更大模场直径、较少模式干扰的优势，具有低成本、结构简单、高灵敏度、高稳定性等特点。
以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于氧化石墨烯增敏的光纤马赫-曾德尔干涉湿度传感器，其特征在于：包括入射光纤(1)、分束器(2)、干涉臂(3)、合束器(5)和出射光纤(6)；干涉臂(3)包括第一干涉臂(31)和第二干涉臂(32)；入射光纤(1)的输出端连接分束器(2)输入端，分束器(2)的两个输出端一一对应连接第一干涉臂(31)和第二干涉臂(32)的输入端，第一干涉臂(31)和第二干涉臂(32)的输出端一一对应连接合束器(5)的两个输入端，合束器(5)的输出端与出射光纤(6)的输入端连接；入射光纤(1)用于输入光信号，分束器(2)使得从入射光纤(1)中进来的光信号经过分束器(2)耦合到干涉臂(3)中，干涉臂(3)用于形成传输波导以筛选不同的光波传输模式，合束器(5)使得从干涉臂(3)中进来的光信号经过合束器(5)耦合到出射光纤(6)中，出射光纤(6)用于输出光信号，并将光信号传输到外接的光谱仪中；
所述干涉臂(3)由少模光纤构成，包括第一干涉臂(31)和第二干涉臂(32)；其中，第一干涉臂(31)由少模光纤中的包层组成，第二干涉臂(32)由少模光纤中的纤芯组成；第一干涉臂与第二干涉臂长度相等。
2.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯增敏的光纤马赫-曾德尔干涉湿度传感器，其特征在于：所述入射光纤(1)由单模光纤构成，输入端连接外接的宽带光源，将宽带光源的输出光由单模光纤中的纤芯传输进来。
3.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯增敏的光纤马赫-曾德尔干涉湿度传感器，其特征在于：所述的分束器(2)结构与合束器(5)结构相同，均由无芯光纤构成。
4.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯增敏的光纤马赫-曾德尔干涉湿度传感器，其特征在于：少模光纤的部分包层经过氢氟酸溶液化学腐蚀厚度减小增加倏逝波泄漏，并在锥形光纤区域的光纤表面涂覆氧化石墨烯薄膜(4)。
5.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯增敏的光纤马赫-曾德尔干涉湿度传感器，其特征在于：所述出射光纤(6)由单模光纤构成，输出端连接外接的光谱仪获得含有传感信息的干涉光谱。
6.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯增敏的光纤马赫-曾德尔干涉湿度传感器，其特征在于：所述分束器(2)为直径125μm、长度10mm的无芯光纤；所述合束器(5)为直径125μm、长度10mm的无芯光纤。
7.根据权利要求4所述的基于氧化石墨烯增敏的光纤马赫-曾德尔干涉湿度传感器，其特征在于：所述干涉臂(3)由长度为30mm、直径125μm的少模光纤组成，所述干涉臂(3)少模光纤使用氢氟酸溶液腐蚀掉少模光纤的部分包层，处理后的少模光纤直径为100μm。
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