CN214150438U - 一种光纤湿度传感器及湿度传感器检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光纤湿度传感器及湿度传感器检测装置，光纤湿度传感器由等直径的多模光纤和单模光纤拼接而成，所述多模光纤包括多模光纤纤芯以及包覆在多模光纤纤芯外圈的多模光纤包层，所述单模光纤包括单模光纤纤芯以及包覆在单模光纤纤芯外圈的单模光纤包层，所述多模光纤纤芯和单模光纤纤芯由端部熔接形成探针结构的光纤段，所述光纤段外层镀有一层银膜，所述银膜外层涂敷有一层聚乙烯醇薄膜。利用多模光纤和单模光纤熔接成探针结构，并镀上银膜和聚乙烯醇薄膜，利用表面等离子体共振理论实现湿度传感，其结构简单，简便了工艺程序从而降低了成本。

Description

一种光纤湿度传感器及湿度传感器检测装置

技术领域

本实用新型涉及光纤传感领域，尤其是涉及一种光纤湿度传感器及湿度传感器检测装置。

背景技术

早在1902年，Wood在做衍射光栅实验时，首次发现了等离子体共振现象(SPR)，直到1968年，德国Otto提出了利用棱镜和金属薄膜来激发等离子体共振，并成功设计了棱镜SPR装置。随后Kretschmann对该装置进行了改良，使得科研人员对SPR的研究进入了高速发展阶段，并开始向光纤结构过度，成为SPR传感器又一个里程碑式的突破。

目前，监测周围环境的湿度变化对商业领域以及日常生活都有着重要的作用，例如纺织业、仓库存储、药业等对空气湿度的要求十分严格，必须将空气湿度控制在一定的范围之内。为此市面上出现了各类湿度传感器，主要分为三大类：电解质湿度传感器、半导体陶瓷湿度传感器和有机高分子聚合物湿度传感器。但这几类传感器体积较大、响应时间慢以及应用场合受限。因此，具有体积小、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀等优点的新兴光纤湿度传感器迅速发展起来。为了满足灵敏度的需求，常在光纤传感器表面涂敷湿敏材料，市面上常用的传统的湿敏材料有聚乙烯醇(PVA)、聚酰亚胺、环氧酚醛树脂等多种材料。其中聚乙烯醇含有OH基团，能与水蒸气发生反应，并迅速膨胀导致有效折射率的变化，所以常用来做提高传感器灵敏度的湿敏材料。

实用新型内容

实用新型目的：为了克服背景技术的不足，本实用新型公开了一种高稳定性、高灵敏度、制作工艺简单的基于聚乙烯醇和表面等离子体共振理论的湿度传感器，还公开了该湿度传感器的检测装置。

技术方案：本实用新型公开了一种光纤湿度传感器，由等直径的多模光纤和单模光纤拼接而成，所述多模光纤包括多模光纤纤芯以及包覆在多模光纤纤芯外圈的多模光纤包层，所述单模光纤包括单模光纤纤芯以及包覆在单模光纤纤芯外圈的单模光纤包层，所述多模光纤纤芯和单模光纤纤芯由端部熔接形成探针结构的光纤段，所述光纤段外层镀有一层银膜，所述银膜外层涂敷有一层聚乙烯醇薄膜。

进一步的，所述多模光纤和单模光纤的直径为125μm，所述多模光纤纤芯的长度为150μm，直径为62.5μm；所述单模光纤纤芯的长度为330μm，直径为8.2μm。

进一步的，所述银膜厚度为50nm，所述聚乙烯醇薄膜厚度为1μm。

进一步的，所述聚乙烯醇薄膜的杨氏模量为4×10^-5/％RH，湿膨胀系数为2.6×10⁷Pa。

本实用新型还公开一种湿度传感器检测装置，包括：

湿度控制箱，所述湿度控制箱内设有用于固定上述湿度传感器的固定板，所述湿度控制箱内设有温度计、增湿器及排湿扇；

光谱仪和宽带光源，分别与所述湿度传感器的两端连接，所述光谱仪连接有计算机。

上述光纤湿度传感器主要依据表面等离子体共振原理，当入射光照到银膜层与非金属层的分界面时，将会产生沿银膜表面传播的倏逝波，且由于银膜对光波比较敏感，受光波激发同样会产生沿银膜表面传播的表面等离子体波，当表面等离子体波的波矢与倏逝波的波矢相互匹配时，会产生表面等离子体共振现象，从而产生共振峰。由于聚乙烯醇薄膜的折射率会随着湿度的增加而降低，改变了光纤包层的有效折射率，使得共振峰的位置发生改变，从而实现湿度的测量。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型的优点为：首先，本光纤湿度传感器利用多模光纤和单模光纤熔接成探针结构，并镀上银膜和聚乙烯醇薄膜，利用表面等离子体共振理论实现湿度传感，其结构简单，简便了工艺程序从而降低了成本；此外，该传感器的探头结构满足微型化的要求，使得该传感器能够应用于恶劣、狭小等多种场合，其应用范围不再受限。聚乙烯醇薄膜独特的化学结构能与空气中的水分子H₂O形成氢键而膨胀，导致电导率的增加，其有效折射率也随之下降，进一步增加了传感器的灵敏性。

实验可知，该传感器的最高灵敏度为16.286nm％RH,平均灵敏度高达11.7604nm％RH，具有良好的应用价值。

附图说明

图1是本实用新型光纤湿度传感器的纵向剖视图；

图2是本实用新型光纤湿度传感器的立体模型图；

图3是本实用新型湿度传感器检测装置的结构图；

图4是本实用新型光纤湿度传感器不同湿度下的透射谱；

图5是本实用新型光纤传感器的共振波长随湿度变化的线性拟合图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案作进一步的说明。

如图1和图2所示的光纤湿度传感器，由等直径的多模光纤和单模光纤拼接而成，所述多模光纤包括多模光纤纤芯1以及包覆在多模光纤纤芯1外圈的多模光纤包层2，所述单模光纤包括单模光纤纤芯3以及包覆在单模光纤纤芯3外圈的单模光纤包层4，所述多模光纤纤芯1和单模光纤纤芯3由端部熔接形成探针结构的光纤段5，所述光纤段5外层镀有一层银膜6，所述银膜6外层涂敷有一层聚乙烯醇薄膜7。

其中，所述多模光纤和单模光纤的直径为125μm，所述多模光纤纤芯1的长度为150μm，直径为62.5μm；所述单模光纤纤芯3的长度为330μm，直径为8.2μm。所述银膜6厚度为50nm，所述聚乙烯醇薄膜7厚度为1μm。所述聚乙烯醇薄膜7的杨氏模量为4×10^-5/％RH，湿膨胀系数为2.6×10⁷Pa。

本实用新型光纤湿度传感器的设计步骤为：

S1、准备适宜长度的多模光纤和单模光纤，将两根光纤各自一端的保护层去除，并用酒精擦拭。为了方便将多模光纤和单模光纤熔接成探针结构，需利用光纤切割刀对两根光纤的端面进行切割并再次用酒精擦拭，保证端面无杂质，更加平整；

S2、将切割好的单模光纤和多模光纤放入光纤熔接机中，熔接完成后得到探针结构的光纤段。将光纤段固定在载玻片上，利用磁控溅射法在光纤段表面镀上一层50nm的银膜。为了保证实验的精确性，需保证光纤段中多模光纤长度为150μm，单模光纤长度为330μm。若光纤长度过长，需再次用光纤切割刀切割多余的部分；

S3、制备浓度为5％的聚乙烯醇溶液，用天平称量适量的聚乙烯醇絮状固体和去离子水，按比例将聚乙烯醇絮状固体放入去离子水中，静置24小时，使聚乙烯醇絮状固体充分吸收水分。将完全浸泡后带有絮状固体的聚乙烯醇溶液放入温度为90℃水浴加热装置中，使用搅拌棒持续搅拌直至聚乙烯醇固体完全溶解，变成透明的胶状液体。将制备好的聚乙烯醇溶液放置在常温环境中保存；

S4、用酒精和丙酮再次清洁光纤表面，确保涂敷区域表面无杂质附着，保证聚乙烯醇溶液能够与光纤表层银膜紧密粘合。将清洁后的光纤放置于提拉涂敷平台上，通过控制电机的转速来控制涂敷过程，使聚乙烯醇溶液能够均匀的涂敷在光纤外表面，涂敷厚度为1μm。将涂敷聚乙烯醇溶液的光纤放在室温25℃、湿度50％的环境中12小时，即形成聚乙烯醇薄膜。

如图3所示的一种湿度传感器装置，包括：

湿度控制箱8，所述湿度控制箱8内设有用于固定湿度传感器的固定板9，所述湿度控制箱8内设有温度计10、增湿器11及排湿扇12；

光谱仪13和宽带光源14，分别与所述湿度传感器的两端连接，所述光谱仪13连接有计算机15。

湿度传感器检测具体步骤为：

S1、将制作完成的光纤湿度传感器两端固定在湿度控制箱8的固定板9上，使其保持绷直状态，并将传感器的两端通过熔接机连接到宽带光源14和光谱仪13上。为了能够准确的测量不同湿度对光纤传感器波长的影响，需将传感功能区完全空气接触，使其不受固定板的影响；

S2、实验开始前，调节湿度控制箱内的湿度和温度，使其初始温度和湿度分别为25℃、40％RH，并保持控制箱内的温度恒定不变；

S3、打开宽带光源14和光谱仪13，通过控制增湿器11来改变控制箱内的湿度参数，同时对比湿度计的参数，每次间隔5-10％RH时，关闭增湿器，并等待光谱稳定后，观察和记录光纤传感器波长的变化；

S4、在测试过程中，通过增湿器11、排湿扇12和湿度计10来控制和保持湿度，完成对不同湿度环境下的测量。

如图4所示，由于全反射产生的倏逝波的波矢与沿金属层表面传播的等离子体波的波矢相匹配会产生SPR现象，所以共振波长会随着湿度参数的变化而变化，因此本发明可以实现对湿度参数的测量。根据实验数据，可以得出光纤传感器在湿度 50％RH-85％RH范围内的响应变化结果，如图4、图5。相对湿度从50％RH增加到85％RH 的过程中，光纤传感器的共振峰位置从1092.6nm漂移到了681.026nm，总漂移量为 411.614nm，计算得出平均灵敏度为11.7604nm/％RH，其中最大灵敏度高达 16.286nm％RH。因此本发明在高湿度50％RH-85％RH范围内具有较高的使用价值。

Claims (5)

1.一种光纤湿度传感器，其特征在于：由等直径的多模光纤和单模光纤拼接而成，所述多模光纤包括多模光纤纤芯(1)以及包覆在多模光纤纤芯(1)外圈的多模光纤包层(2)，所述单模光纤包括单模光纤纤芯(3)以及包覆在单模光纤纤芯(3)外圈的单模光纤包层(4)，所述多模光纤纤芯(1)和单模光纤纤芯(3)由端部熔接形成探针结构的光纤段(5)，所述光纤段(5)外层镀有一层银膜(6)，所述银膜(6)外层涂敷有一层聚乙烯醇薄膜(7)。

2.根据权利要求1所述的光纤湿度传感器，其特征在于：所述多模光纤和单模光纤的直径为125μm，所述多模光纤纤芯(1)的长度为150μm，直径为62.5μm；所述单模光纤纤芯(3)的长度为330μm，直径为8.2μm。

3.根据权利要求1所述的光纤湿度传感器，其特征在于：所述银膜(6)厚度为50nm，所述聚乙烯醇薄膜(7)厚度为1μm。

4.根据权利要求1所述的光纤湿度传感器，其特征在于：所述聚乙烯醇薄膜(7)的杨氏模量为4×10^-5/％RH，湿膨胀系数为2.6×10⁷Pa。

5.一种湿度传感器检测装置，其特征在于，包括：

湿度控制箱(8)，所述湿度控制箱(8)内设有用于固定权利要求1所述湿度传感器的固定板(9)，所述湿度控制箱(8)内设有温度计(10)、增湿器(11)及排湿扇(12)；

光谱仪(13)和宽带光源(14)，分别与所述湿度传感器的两端连接，所述光谱仪(13)连接有计算机(15)。

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