光纖溼度傳感器的製作方法
2024-01-28 22:47:15 2
專利名稱：光纖溼度傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於在一種環境中測量溼度的傳感器，特別是涉及使用對於溼度變化敏感的光纖環境中檢測溼度變化的方法及其裝置。
在例如化學工藝控制、汙染監測、機器人學、化學戰媒介物檢測中所用的寬範圍系統傳感器是關鍵部件。為了適應這樣一些系統的擴展，傳感器技術也隨之發展，特別是那些靈敏度高、響應速度快、尺寸小和價格低的傳感器獲得了很大發展。現已表明，由六甲基二甲矽醚和氨的混合物沉積的等離子體聚合薄膜用作為傳感器膜片，以檢測各種氧化氣體和溼度。這種薄膜的傳感器表現出以各種下兩種特性即該等離子體聚合薄膜的表面電阻隨著相對溼度的增加而逐漸減小;並且這種溼度效應是可逆的。在一個這樣的薄膜溼敏檢測器中，具有一個讀出的導電率讀數。當相對溼度從0變到92%時，表面電阻從1018變到1010。可以看出，在這樣的儀器中穩定的讀數之間的變化是很快的。
然而，存在有許多需要測量溼度但導電率測量不實際的應用場合，例如在紙和油絕緣的電力變壓器中對溼度控制的應用場合，由於溼度與工作情況和各種周圍條件有關，因此變壓器油的溼度量級是很可觀的。現在，溼度是由工作著的變壓器取得的分批取樣值來決定的，而在線監測油的溼度能使產生的溼度控制在所要求的極限值之內。另一種引入注意的應用是將光纖溼度傳感器用於冷氫發生器中，一種在線的溼度傳感器能發出氣體乾燥器失靈或排氣和/或周圍空氣滲漏的信號。
人們已經對各種光纖傳感器進行了詳盡的研究，在S.M.Angel的題為「OptrodesChemicallySelectiveFiber-OpticSensors」的文章中已經公開了各種化學選擇性的光纖傳感器(Optrodes)，該文刊登在1987年4月Spectroscopy，Vo1.2，No.4，PP.38～48。在其它的優點中，業已發現光纖傳感器一般對電幹擾不敏感。已經描述了利用多種光學現象的光纖化學傳感器，這些光學現象包括通過在兩根光纖端部之間的縫隙的吸收;通過一根光纖傳輸的和由同一光纖收集的光激發的螢光特性;通過觀測發射光或反射光來觀測光纖末端的基片對光的吸收情況，以及很多其他的光學現象。當前特別令人感興趣的技術秘密是光纖表面的漸逝光波的衰減問題。因此，通過光纖經多次內部反射傳播的光受到周圍媒介吸收譜的調製。利用這種技術的傳感器已經用於檢測指示染料的顏色變化，該指示染料固定在包在光纖芯上的塑料上響應於浸沒光纖探頭的溶液中的PH變化來進行檢測。
本發明的主要目的是提供一種檢測給定環境的溼度的光纖傳感器。
基於這個目的，本發明屬於包括以下部件的一種光纖溼度傳感器一個光纖裝置用以提供經該光纖傳送的光;和用以檢測被傳輸光的變化的裝置，其特徵在於上述光纖的包層能夠改變該光纖的光傳輸特性，而這一特性是該包層所暴露的環境中溼度條件的函數。
該光纖芯的直徑一般是100至1000微米(μm)、其長度為10至100釐米(Cm)。更具體地說，包層的厚度在1至10μm範圍以內。
通過閱讀以下僅做為例子的，由其各個附圖所表示的一個優選實施例的描述，將會對本發明更加了解。
圖1是用以說明光纖溼度探頭工作原理的一個光學系統的示意圖;
圖2是圖1裝置中所用的流管(flowcoll)一端的詳細結構的放大了的示意圖;
圖3是本發明的光纖溼度傳感器的一個優選實施例的光學系統的示意圖;
圖4、5、6是由利用圖1所用裝置得出的實驗結果而繪製的曲線圖。
本發明涉及一種光纖溼度傳感器，該傳感器包括一根光纖，該光纖包敷一層聚合物的包層，該包層能夠改變光纖的光傳輸特性，這一特性是該包層所暴露環境的溼度條件的函數。根據本發明，業已發現該聚合物的包層最好是由六甲基二甲矽醚與氨的混合物在光纖芯上沉積的一種等離子體聚合薄膜。該光纖芯可以採取有利於光纖連接的一般已知的任何形式，然而，為了實現本發明的目的，纖維芯最好直徑接近100至1000μm，長度近於10至100Cm，另外，聚合物包層的厚度最好約為1至10μm。
等離子體聚合的工藝和裝置一般是公知的。例如在以下出版物中描述了這樣的工藝
R.K.SadhirandW.J.James，「SynthesisandPropertiesofConductingFilmsbyPlasmaPolymerizationofTetramethyltin」，ACSSymposiumSeriesNO.242，PolymersinElectronics，Chapter42，PP.533(1984)，EditedbyT.Davidson.
R.K.Sadhir，H.E.SaundersandW.J.James，「PlasmaPolymerizedOrganometallicThinFilmsPreparationandProperties」，ACSSymposiumSeriesNO.242，PolymersinElectronics，Chapter43，PP.555(1984).EditedbyT.Davidson.
R.K.SadhirandH.E.Saunders，「DepositionofConductingThinFilmsofOrganometallicMonomersbyPlasmaPolymerization，」J.Vac.Sci.Tech.A3(6)2093(1985).
R.K.SadhirandH.E.Saunders，「ProtectiveThinFilmCoatingsbyPlasmaPolymerization，」SemiconductorInternational8(3)，110，(1985)。
與本發明有關的一種光纖溼度傳感器是由一根1mm直徑、30Cm長的石英棒包敷以一層等離子體聚合六甲基二甲矽醚/氨的薄膜製成的。管形的等離子體聚合反應器用以在石英棒的基體上沉積一層薄膜。該石英棒置於該反應器中並從單聚物入口起約5Cm的一端露出，沉積薄膜的條件在表1中綜述如下表1反應器內初始壓力＝1.6Pa氨的壓力＝4.4Pa氨的流速＝5.48×10-3Cm3/sec(STP)六甲基二甲矽醚的壓力＝7.3Pa六甲基二甲矽醚的流速＝4.67×10-3Cm3/sec(STP)總壓力＝10Pa總流速＝1.31×10-2Cm3/sec(STP)射頻功率＝20瓦(W)射頻頻率＝13.56MHz持續時間＝6小時完成這個反應之後，旋轉石英棒，以使未被復蓋側暴露於等離子之中，在表1的條件下再進行等離子體聚合5小時。由此得出的包層厚度估計為1至2μm，但這個厚度沿棒長是不均勻的。
由此製成的棒放在構成測試裝置12的一部分的流管10中，這裡通過測試裝置12來說明本發明的結構原理。圖1中示意性地表示這個測試裝置，由圖1可以看出該裝置包括一個燈光系統14、一個單色儀16、一個發光電二極體18和一個光度計20。在圖1中被包敷的石英棒的編號是11。
燈光系統14包括一個克拉託斯(Kratos)(斯科菲爾儀器公司SchoeffelInstruments)1000W汞/氙弧光燈系統，該系統包括一個燈泡22、一個反射鏡24和一個聚光鏡系統26。
在圖1中用虛線28表示的由燈光系統14發出的光，通過單色儀16，該單色儀包括一個具有波長掃描附件的高光強光柵單色儀。
從單色儀16的狹縫輸出的光直接進入安裝在流管10中的石英棒11的輸入端11a，測頭11的輸出端11b直接接入光電二極體18的外殼，該光電二極體包含一個光電倍增管。光電二極體18中的光電倍增管的高壓是由光度計20提供的(PacificPrecisionInstruments，model110)。該光度計20還能將光電倍增管的電流輸出轉換成為電壓。可用利用數字式示波器(Nicolet，model4094)來收集實驗數據，光電倍增器的輸出可以以時間的函數或光譜較長的方式進行監視。
流管10的詳細結構可參見圖2。圖2表示流管的輸出端，其實兩端基本上一樣的。流管10包括一個細長空心管體30，例如該管體30可以由6.3mm不鏽鋼管制成。在該管體的兩端部都提供有T形接頭32，一段軟管34通過接口36和接口適配器38與T型接頭32相連。如圖2所示，適配器40也與接頭32相接，以為測頭11的末端11b從流管中出去提供通路。流管10的入口端的結構基本上與圖2所示的結構相同，也包括一個T形接頭42，如圖1所示。
為了說明起見，流管10供以正常的乾燥空氣。該空氣為了光纖測頭11測試的目的交替地通入一個水浴室以提供經測算約80%相對溼度的潮溼空氣，或在該浴室周圍旁路，提供一個乾燥環境的空氣。其測試結果表示在圖4、5、6中。
圖4表示在500＜λ＜830nm的光譜範圍內的四條光譜掃描的結果。這些掃描測試是由在幹與溼之間交替變更(次序為幹、溼、幹、溼)的流管10中的空氣所作的。光譜中的窄帶特性是燈的發射線譜，實際上，這是因為該裝置是單束光譜儀的緣故。這些陡變的線譜對於內部波長的確認是很有用的。幹(下部軌跡A)與溼(上部軌跡B)之間的垂直移動是人們感興趣的特性。由傳感器棒上包層對光吸收得越多將造成在輸出端處傳輸的光就越少，從而在光度計輸出端的電壓也就越小，因此乾燥的薄膜要比潮溼的薄膜吸收能力更強。當波長由500nm增加到800nm以上時，信號的全面下降主要是由於光電倍增管的總的效率降低所造成的，從理論上說，對於這樣長波長的觀測，矽光電二極體更為合適。
在從幹到溼以後，再反過來變化，在同一條件下收集的光譜的一致性表明了潮溼效應的確是可逆的，並且是完全可重現的。
圖5重現了在乾燥(A)和潮溼(B)條件下的光譜並且表示出這兩條曲線的比值(C)。該比值說明了可得到的信號(該信號代表了由環境潮溼度的變化而產生對被傳輸光的強度的調製的程度)在長波長時最大，而當波長λ＞700nm時基本上與波長無關，並且持續到λ＝820nm。820nm是非常需要的工作波長，因為市場上的光纖在這個波長上具有最小的傳輸損失，並且通信系統所用的光源和檢測器在這個波長上的工作是最佳的。
圖6示出了空氣從溼到幹和從幹到溼時的過渡響應。從溼向幹過渡是在約20秒內完成的，而從幹向溼過渡則要求一段較長的時間，以較慢的速度地恢復到最後的平衡值。
在按比例放大的圖6中，由燈泡產生的噪聲是相當明顯的。用於說明上述測試的克瑞特斯(Kratos)燈有一定的噪聲強度輸出。另一方面，一個最佳的系統最好使用穩定的光源。圖6的B、C線示出了在固定的條件下、以快速掃描速度250μs/分度、平均100次掃描得出的結果。可以觀測到大的噪聲減小了，並且降低噪聲的曲線表明了動態範圍，這是用穩定光源和最佳檢測系統才能得到的。
使用圖1、2所示的簡化裝置得到的測試結果，產生了圖3示意性地表示的光纖溼度傳感器，在圖中用編號100表示。該傳感器100包括一個溼度敏感的光纖探頭103，它適於安裝在要檢測溼度條件變化的環境中;還包括一個發光二極體(或二極體雷射器)104，用以提供工作於820nm的穩定光源。光源最好是脈衝或斷續的，能夠進行同步檢測，以減小雜散光源的影響。顯然，二極體104還包括用以發射出由光纖102傳輸的光的裝置。
由發光二極體104發射的光被傳輸到高質量通信級的光纖106，光纖106具有任意的長度，能使感溼光纖102置於離該系統其它部件很遠的距離處。還配備一個標準光纖連接器108，以使溼度檢測光纖102連接到通信級光纖106上。
溼度檢測光纖102最好包括一根標準光纖芯，直徑約100～1000μm，長度約為10～100Cm。
溼度檢測光纖102的末端110安裝一個反射鏡，以反射820nm的光，因此經過光耦合器108進入溼度檢測光纖102的光由於反射鏡端的反射產生兩條路徑，並且經過耦合器108和光纖106返回到比值檢測器112。
根據本發明，溼度檢測光纖102最好是一根包敷1～10μm厚的等離子體聚合包層的石英棒。包層最好由六甲基二甲矽醚和氨的混合物通過等離子體聚合沉積在該石英棒的基體上。這樣的包層能夠檢查取決於周圍空氣溼度高低的顏色的變化。而最大相對變化發生在大於700nm的長波長，特別是，允許在820nm波長上工作，而這個波長經常用於光纖通信系統。這樣的光學溼度傳感器適合用於檢測電噪聲環境中(例如變壓器和發電機)的溼度量。實驗已經表明，這些實驗結果已列於圖4和圖5中，通過在遠處的環境中放置一個溼度檢測光纖，就能檢測該環境的溼度量，這種溼度檢測是由產生通過該光纖的光，而後檢測通過該光纖傳輸光的變化，並把該變化作為該環境溼度條件變化的函數來進行的。
在圖3中所示的優選實施例中，由發光二極體104發出的這部分光經過分路光纖114分路進入比值檢測器112，在那裡與傳感器102返回的並且通過分路光纖116直接進入比值檢測器112的光進行比較。比值檢測器112將經過分路光纖114引入的光的光譜強度與溼度傳感器102返回的、並且經過分路光纖116進入比值檢測器112的光的強度進行簡單的比較。很明顯，經過分路光纖114進入比值檢測器112的光的強度與由傳感器102經過分路光纖116返回的光的強度是不同的。
權利要求
1.一種光纖溼度傳感器(12；100)，包括一根光纖(11；102)，用以供給要經所述纖維(11、102)傳輸光的裝置(14、16、22、24、26；104)；和用以檢測在被傳輸的光的變化的裝置(18、20；112)，其特徵在於所述光纖(11；102)上的包層能夠改變該光纖的光學傳輸特性，該特性作為該包層所暴露的環境的溼度條件的函數。
2.根據權利要求1所述的光纖溼度傳感器，其特徵在於所述包層是一種聚合物包層。
3.根據權利要求3所述的光纖溼度傳感器，其特徵在於所述的聚合物包層是一種等離子體聚合物包層。
4.根據權利要求1所述的光纖溼度傳感器，其特徵在於所述的包層是由六甲基二甲矽醚和氨的等離子體聚合物製成的。
5.根據權利要求1至4任何一個權利要求所述的光纖溼度傳感器，其特徵在於所述光纖具有一個安裝反射鏡端(110)。
6.根據權利要求1至5任何一個權利要求所述的光纖溼度傳感器，其特徵在於所述的提供光的裝置包括一個穩定的光源(104)。
7.根據權利要求6所述的光纖溼度傳感器，其特徵在於所述的光源是一種脈衝的或間斷式的光發射器。
8.根據權利要求6或7所述的光纖度傳感器，其特徵在於所述光源發出的光的波長大於700nm。
9.根據權利要求8所述的光纖溼度傳感器，其特徵在於所述光源點陣大小的信息;b.29116Y送Size的通路，用於把點陣大小的區別信息置入Size;c.WSA MUX 2∶1擴充成3∶1至5∶1，用於控制不同的Size值時，從Y計數器和X計數器分別取出的位數不同。
4.在權利要求3的設備基礎上，一個用於區分生成小號漢字還是大號漢字的方法，其特徵在於配合Size觸發器(或寄存器)，29116Y→Size的通路，並用Size和F/G位作為擴充後WSAMUX的選擇控制端，當F/G＝1時，WSA 15位輸出即Len14～0;當F/G＝0時，WSA 15位輸出將從Y8～0和X11～2中選擇，不同的Size值時從Y和X計數器中分別取出的位數不同。
5.在權利要求4基礎上處理Size為一位觸發器這種特例的一個方法，其特徵在於WSAMUX為3∶1，選擇控制端與WSA輸出之間的關係如下
6.在權利要求5基礎上處理sector為3位(記作S2～0)這種特例的一個方法，其特徵在於WSWENG的邏輯為WSWEN＝Size·(s1＝y8)+Size·(s2～0＝y9～7)
7.在權利要求1的設備基礎上，一個用於逐塊生成圖形點陣的設備，其特徵在於增加了下述器件和電路所構成a.FL→Am29116和Am29116Y→FL的傳送通路，用於保存本
全文摘要
一種光纖溼度傳感器，該傳感器包括一根表面包敷1～2μm厚的等離子體聚合的六甲基二甲矽醚與氨的薄膜。這樣包層式光纖的光傳輸特性的變化是該包層所暴露環境的溼度條件的函數。因此將該層式光纖放在環境中，通過經該光纖傳輸的光並檢測經該光纖傳輸的光的變化，這種變化是該環境中的溼度條件的函數，從而可用以檢測該環境中溼度條件的變化。
文檔編號G01N21/81GK1036635SQ8910169
公開日1989年10月25日 申請日期1989年3月27日 優先權日1988年3月28日
發明者史蒂芬·哈羅德·彼得森, 阿爾弗雷德·魯道夫·帕勃勒, 雷詹德·庫馬·薩德西爾, 亨利·亞歷山大·比爾斯, C·克萊爾·克雷鮑恩 申請人:西屋電氣公司