CN216013126U - 一种基于二维增敏材料的光纤湿度传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型专利公开了一种基于二维增敏材料的光纤湿度传感器，包括：接收入射光的入射光纤；用于将一部分入射光耦合进包层的第一锥形放大结构；用于传输包层光和纤芯光且侧面具有抛光结构的传感光纤；用于增敏的二维增敏材料MXene；用于将进入包层的光再耦合进纤芯的第二锥形放大结构；用于将出射光传输给光谱仪的出射光纤。该二维增敏材料MXene不仅具有风琴状的层状结构，而且具有亲水表面和大比表面积的特性，因此非常适合用作增敏材料。当外界环境的湿度发生变化时，会导致二维增敏材料MXene的折射率发生变化，从而导致所探测到的光谱的波长和强度发生变化。该传感器具有灵敏度高，成本低，抗腐蚀和抗电磁干扰能力强等特点。
Description
技术领域：
本实用新型涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于二维增敏材料的光纤湿度传感器。
背景技术
随着现代工业、农业的不断发展，对于环境湿度的监测和控制变得越来越重要了。尽管传统的电子湿度计早已应用到了人们的生产生活之中，但是由于传统的电子湿度计具有抗电磁干扰能力差，易腐蚀，不能远距离分布监测等劣势，光纤湿度传感器就应运而生了。但是湿度的变化量往往是比较小的，所以为了增加其限有的灵敏度，还可以对其进行一些处理，比如：对其表面进行侧抛处理，涂覆增敏材料等等。
目前，光纤湿度传感器主要使用的是聚乙烯醇(PVA)，琼脂糖等增敏材料，随着技术的进步，一些新型二维增敏材料逐渐被发现。MXene就是一种新型二维增敏材料，因其具有亲水表面、大比表面积的特性，非常适合在湿度传感上用作增敏材料。使用光学沉积法将这种二维材料沉积到光纤湿度传感器的传感区域，而且还可以通过控制通光时间来改变沉积膜的厚度。
通过对光纤进行一些特殊的加工，形成特殊结构，使得一部分光能耦合进入包层中传输，与外界环境发生作用，之后再重新再耦合回纤芯中发生干涉，这就是马赫-曾德干涉的原理。通过对光纤的侧面进行侧抛处理，增大倏逝波与外界的作用，又可以增大传感器的灵敏度。
实用新型内容
本实用新型为了解决现有光纤湿度传感器灵敏度不高的问题，提出一种基于二维增敏材料的光纤湿度传感器。该湿度传感器具有成本低、灵敏度高的特点。
本实用新型解决技术问题所采取的技术方案如下：
一种基于二维增敏材料的光纤湿度传感器，其中包括：
用于接收入射光信号的入射光纤；
与所述入射光纤相连，用于将一部分入射光耦合进包层传输的第一锥形放大结构；
与所述第一锥形放大结构相连，具有侧抛结构的传感光纤；
用于增敏的二维增敏材料MXene；
与所述传感光纤相连，用于将包层中传输的那一部分光再重新耦合进纤芯的第二锥形放大结构；
与所述第二锥形放大结构相连，用于将第二锥形放大结构出射的光传输到光纤光谱仪的出射光纤。
所述一种基于二维增敏材料的光纤湿度传感器，其中，在两锥形放大结构之间，一部分光在纤芯中传输，另一部分光在包层中传输。
所述一种基于二维增敏材料的光纤湿度传感器，其中，所述的第一锥形放大结构与入射光纤和传感光纤相连；
所述的第二锥形结构与传感光纤和出射光纤相连。
所述的入射光纤，第一锥形放大结构，传感光纤，第二锥形放大结构和出射光纤均采用的是纤芯直径为9μm，包层直径为125μm的单模光纤。
所述的入射光纤，第一锥形放大结构，传感光纤，第二锥形放大结构和出射光纤依次连接，构成线性结构。
所述的第一锥形放大结构和第二锥形放大结构的结构相同，且锥区直径范围是165～170μm。
所述第一锥形放大结构和第二锥形放大结构之间相距的距离是26～33mm。
所述传感光纤的侧抛结构长度为12～15mm，侧抛深度为62.8～66.7μm。
所述二维增敏材料MXene是通过光学沉积法，使用633nm氦氖激光器，连续通光45-60min，使其吸附到传感光纤上。
所述二维增敏材料MXene的膜厚范围为1～3μm。
本实用新型是基于马赫-曾德干涉仪的原理，在传感光纤的表面进行侧抛处理并利用光学沉积法沉积上二维新型增敏材料MXene来增强该传感器对环境湿度探测的灵敏度。当外界环境的湿度发生变化时，会导致二维增敏材料MXene的折射率发生变化，从而导致所探测到的光谱的波长和强度发生变化。
本实用新型的优点在于：
1、用于制造所述传感器的光纤是纤芯直径为9μm，包层直径为125μm的普通单模光纤，这种光纤比较容易获得且价格相对便宜；
2、所述光纤湿度传感器相较于传统电子湿度传感器它具有抗电磁干扰能力强、抗腐蚀能力强、可以实现远距离监测等优点；
3、所述传感器用到的二维增敏材料MXene能有效的提高传感器对湿度的检测的灵敏度。
附图说明
图1一种基于二维增敏材料的光纤湿度传感器结构示意图。
图2一种基于二维增敏材料的光纤湿度传感器中光传输路线图。
具体实施方式
下面将结合附图作进一步的解释和说明。
如图1所示，一种基于二维增敏材料的光纤湿度传感器，包括用于接收入射光的入射光纤1；用于将一部分入射光耦合进包层的第一锥形放大结构2；用于传输包层光和纤芯光且具有侧抛结构的传感光纤3；用于增敏的二维增敏材料MXene 4；用于将进入包层的光再耦合进纤芯的第二锥形放大结构5；用于将出射光传输给光纤光谱仪的出射光纤6。
如图2所示，是光在该光纤传感器中传输的路线图，图中箭头代表光传输的方向。一束由宽带光源发出的光先进入入射光纤1，继续向前传输，当到达第一锥形放大结构2时，这一束光被分为两束光，一束光将继续在纤芯中传输，另一束光被耦合进包层中。进入包层的光很快到达侧抛结构3，由于侧抛结构3表面涂覆的二维增敏材料MXene4，与周围环境发生作用使得包层的有效折射率发生改变，导致进入包层的这部分光的传输模式发生改变。当继续向前传输到第二锥形放大结构5时，原先进入包层的光又会耦合进纤芯中，与纤芯中的传输光产生一定的相位差而在出射光纤6中发生干涉，最后由出射光纤6传输到光纤光谱仪中。
具体地，所述传感器所使用的都是价格相对便宜的单模光纤，这种单模光纤的纤芯直径为9μm，包层直径为125μm，纤芯折射率为1.4682，包层折射率为1.4677。
具体地，为了形成第一锥形放大结构2和第二锥形放大结构5，需要对光纤熔接机的参数进行设置。其设置参数如下：重叠量设置为150μm，预放电时间为200ms，放电强度为“标准”，此时锥形放大结构的直径可达165～170μm。
所述第一锥形放大结构2和第二锥形放大结构5之间相距的距离是26～33mm。
所述光纤侧抛结构3的长度为12～15mm，侧抛深度为62.8～66.7μm，主要由滚轮式侧抛系统来加工完成。加工完成后再用光纤熔接机将所述侧抛结构3分别和锥形放大结构2和锥形放大结构5进行手动熔接，连接形成线型传感结构。
具体地，为了使二维增敏材料MXene涂覆在所述侧抛结构3传感区域，需要采用光学沉积法。第一步，将所述的传感器固定在微位移平台的之间，使光纤处于绷直状态；第二步，将载玻片放在微位移平台之间的升降台上，载玻片上滴有二维增敏材料MXene溶液，将升降台缓缓升高，直至靠近光纤传感区域；第三步，将所述的传感器一端通过跳线连接到氦氖激光器上，另一端通过跳线连接光功率计。然后打开氦氖激光器并将功率设置为100～300 mW，可以通过控制通光的时间来控制膜厚，此刻开始计时，持续45～60min，当载玻片上的 MXene溶液变少时要及时补充。最后一步，将所述光纤传感器置于微位移平台之间自然晾干 2～3h。
在湿度测量中，所述传感器放入密闭的恒温恒湿的湿度箱内，湿度箱内的温度应维持在室温条件下，该传感器的一端通过跳线与宽带光源相连，另一端通过跳线与光纤光谱仪相连。
本实用新型能够实现基于二维增敏的光纤湿度传感器的关键技术在于：
1、所述传感器是基于马赫-曾德干涉仪的原理设计，通过第一锥形放大的结构2将原本纤芯中传输的光，一部分耦合进传感光纤3的包层中传输，传感光纤的包层充当传感臂，而传感光纤的纤芯充当参考臂。然后又通过第二锥形放大结构5将传感光纤3包层内的光耦合进纤芯与纤芯传输的光发生干涉。该传感技术依赖于制作锥形放大结构来充当耦合器，所述锥形放大结构的直径范围是165～170μm，两锥形放大结构相距的范围是26～33mm。
2、所述传感器运用了滚轮式侧抛加工技术，利用滚轮上1000～2500目的砂纸进行反复侧抛打磨，最终侧抛长度达到12～15mm，侧抛深度达到62.8～66.7μm。
3、所述传感器的传感区域利用光学沉积的方法沉积了二维增敏材料MXene，利用激光脉冲在传感区域形成的光压光热效应来吸附二维增敏材料MXene。为了达到良好的吸附效果，控制激光脉冲的通入时间范围是45min-60min，自然晾干的时间为2～3h。
本实用新型的一个具体实施案例中，选择的是纤芯直径为9μm，包层的直径为 125μm的单模光纤；锥形放大结构2和锥形放大结构5的直径为167μm，两锥形相距的距离为30mm；侧抛结构的长度为13mm，侧抛结构的深度为62.5μm；光学沉积法镀膜选用的光源为633nm的氦氖激光器；激光脉冲通入的时间是55min，膜厚达到2.3nm；所选用的光纤光谱仪的波长范围为1460nm～1580nm；为了获得该湿度传感器在湿度范围为35％～85％,的灵敏度，测量了1510nm处共振谷波长随相对湿度的变化，最终得到该光纤湿度传感器的灵敏度为0.203nm/％RH。
以上是本实用新型的基本原理和主要特征，在不脱离本实用新型的前提下，可以根据上述的说明进行改进和变化，这些改进和变化都应属于本实用新型的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于二维增敏材料的光纤湿度传感器，其特征在于，包括：接收入射光的入射光纤；用于将一部分入射光耦合进包层的第一锥形放大结构；用于传输包层光和纤芯光且具有侧抛结构的传感光纤；用于增敏的二维增敏材料MXene；用于将进入包层的光再耦合进纤芯的第二锥形放大结构；用于将出射光传输给光谱仪的出射光纤。
2.根据权利要求1所述的基于二维增敏材料的光纤湿度传感器，其特征在于，所述的入射光纤，第一锥形放大结构，传感光纤，第二锥形放大结构和出射光纤均采用的是纤芯直径为9μm，包层直径为125μm的单模光纤。
3.根据权利要求1所述的基于二维增敏材料的光纤湿度传感器，其特征在于，所述的入射光纤，第一锥形放大结构，传感光纤，第二锥形放大结构和出射光纤依次连接，构成线性结构。
4.根据权利要求1所述的基于二维增敏材料的光纤湿度传感器，其特征在于，所述的第一锥形放大结构和第二锥形放大结构的结构相同，且锥区直径均为165～170μm。
5.根据权利要求1所述的基于二维增敏材料的光纤湿度传感器，其特征在于，所述第一锥形放大结构和第二锥形放大结构之间相距的距离是26～33mm。
6.根据权利要求1所述的基于二维增敏材料的光纤湿度传感器，其特征在于，所述传感光纤的侧抛结构长度为12～15mm，侧抛深度为62.8～66.7μm。
7.根据权利要求1所述的基于二维增敏材料的光纤湿度传感器，其特征在于，所述二维增敏材料MXene是通过光学沉积法，使用633nm氦氖激光器，连续通光45-60min，使其吸附到传感光纤上。
8.根据权利要求1所述的基于二维增敏材料的光纤湿度传感器，其特征在于，所述二维增敏材料MXene的膜厚为1～3μm。
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| CN202121114921.2U CN216013126U (zh) | 2021-05-24 | 2021-05-24 | 一种基于二维增敏材料的光纤湿度传感器 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115266587A (zh) * | 2022-07-28 | 2022-11-01 | 山东大学 | HG NPs@Ta2C MXene/Au/TFBG生物传感探头及其制备方法与应用 |
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2021
- 2021-05-24 CN CN202121114921.2U patent/CN216013126U/zh not_active Expired - Fee Related
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