一種基於全瓊脂F‑P腔的超高靈敏度的光纖溼度傳感器的製作方法

2023-09-16 15:51:50

本發明涉及光纖傳感技術領域，尤其涉及一種超高靈敏度的光纖溼度傳感器。

背景技術：

溼度傳感器在空調、食品加工、化學加工和建築安全監測中得到了廣泛的應用，光纖溼度傳感器具有體積小，重量輕等一系列優點，越來越受到市場的親賴。為了檢測環境溼度變化，在製作光纖溼度傳感器時基本上有兩種原理。一種是基於折射率的改變，如專利文獻1(中國專利公開號CN 101776493A)中所描述，用圍欄將傳感敏感液體圍在光纖外圍，傳感區域長度為0.1-6cm，操作較為複雜；另一種是基於體積的改變，如專利文獻2(中國專利公開號CN105259139A)中所描述，用敏感薄膜塗敷在刻有光柵的光纖側表面上，利用了敏感薄膜的體積膨脹引起光柵處的長度膨脹，帶來光譜的漂移。由於這種膨脹信息在傳遞過程中必然有損失，靈敏度通常很難滿足市場需求。再例如非專利文獻1(「Enhancing the humidity response time of polymer optical fiber Bragg grating by using laser micromachining」,Optics Express,2015,23(20):25942-25949)，其傳感器靈敏度為0.06nm/％RH；非專利文獻2(「Chitosan based fiber-optic Fabry-Perot humidity sensor」，Sensors&Actuators B Chemical，2012,169(8):167-172)，其傳感器靈敏度為0.13nm/％RH。因此，迫切需要一種溼度傳感器，既有較高的靈敏度，又具有較容易的製備方法。

為了解決以上問題，選用吸溼性材料直接構成F-P腔作為敏感單元，再與導入光纖連接。以往溼度傳感器，通常用溼度敏感材料作為一次感應單元，再將其感應到的溼度變化轉化為溼敏材料長度(或厚度)的變化，二次傳遞給光纖或光柵等二次敏感單元，從而獲得反射或透射光譜的變化，最後再解調出溼度變化信息。由於信息的二次傳導，導致部分信息的丟失或弱化。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服現有技術的缺點與不足，提供一種具有超高靈敏度，製備工藝簡單，操作容易的基於全瓊脂F-P腔的超高靈敏度的光纖溼度傳感器。

為達上述目的，本發明通過以下技術方案實現：

一種基於全瓊脂F-P腔的超高靈敏度的光纖溼度傳感器，其包括導入光纖和瓊脂膠體構成的溼度敏感的瓊脂F-P腔，所述導入光纖和所述瓊脂F-P腔直接連接，所述導入光纖用於導入光源信號和傳輸反射光，所述瓊脂F-P腔用於感應環境的溼度變化。

本發明的有益效果是：瓊脂膠體具有吸溼性，是因為其表面含有大量的親水集團，可以吸水膨脹和失水消脹，折射率和體積同時發生改變。相當於F-P腔的腔長(L)和折射率(n)同時改變，修改了幹涉光的光程差，反射光的光譜將隨之發生漂移。用1250nm-1650nm寬帶光源提供傳感器的入射光源，再由高解析度的光譜儀監測其發射光譜，就可以得到當溼度改變時的光譜漂移，從而得出相對溼度的變化。這種設計使得本發明具有以下優勢：

(1)當環境溼度增加時，瓊脂F-P腔可以吸收空氣中的水分子，折射率和腔長同時增大，充分利用瓊脂膜折射率和厚度的改變帶來光譜漂移，可獲得較高的靈敏度。

(2)導入光纖和溼度敏感的瓊脂F-P腔直接連接用端面蘸取實現，這種連接方式可以形成超短的F-P腔，從而獲得超高的靈敏度。

(3)瓊脂粉便宜易獲得，易溶於熱水，冷卻後膠體光學特性穩定。端面蘸取鍍膜工藝十分簡單，無需複雜操作過程和昂貴設備，可以降低傳感器製備成本。

此外，本發明還具有結構緊湊，易封裝，響應時間短等優點。

附圖說明

圖1是本發明的光纖溼度傳感器的探頭示意圖；

圖2是單模光纖端面鍍瓊脂膜的示意圖；

圖3是利用本發明的光纖溼度傳感器對環境溼度的檢測系統示意圖；

圖4是本發明傳感器典型反射光譜(環境溼度為13.0％RH)；

圖5(a)是本發明的傳感器在環境溼度分別為13.0、31.2、46.6和64.0％RH時的反射光譜；

圖5(b)是本發明的傳感器在溼度變化時同一波谷位置漂移測量圖。

具體實施方案

下面通過具體實施方式結合附圖對本發明作進一步詳細說明。

如附圖1所示，本發明的基於全瓊脂F-P腔的超高靈敏度的光纖溼度傳感器100由單模光纖101、瓊脂F-P腔102兩部分組成，由於折射率的不同，光纖-瓊脂和瓊脂-空氣可以被視作是兩個光學界面，這樣構成一個F-P腔。根據F-P腔工作原理，反射光譜可以被折射率(n)和腔長(L)修改，而折射率和腔長都隨相對溼度(RH)改變。傳感器的靈敏度可以表示為：

Δ λ Δ R H = λ ( 1 n d n d R H + 1 L d L d R H ) - - - ( 1 ) ]]>

其中，λ代表入射光的波長，n是腔內物質的相對摺射率，L代表F-P腔的長度，從公式(1)可以看出，當外界溼度引起腔內折射率n和腔長L發生改變時，能夠導致光譜波長的改變，通過監測波長的改變可以得到相對溼度的變化。

本發明的光纖溼度傳感器的工作原理是F-P腔的靈敏度與腔長成反比，利用超短的瓊脂F-P腔作為傳感單元，大大的提高了光纖溼度傳感器的靈敏度。瓊脂膠體吸溼導致折射率和體積同時發生快速響應，與超短的瓊脂F-P腔結構共同作用，獲得了超高靈敏度的光纖溼度傳感器。其中所述瓊脂F-P腔的腔長為幾個到幾十個微米範圍。

用瓊脂膠體形成光學F-P腔結構的光纖溼度傳感器，充分利用折射率和體積的改變，可以獲得較高的靈敏度。瓊脂粉末，其易溶於熱水，冷卻後形成膠體，光學性質穩定。瓊脂膠體具有極強的吸溼性，是因為其表面有大量的親水集團——氫氧基，可以吸溼膨脹和失水消腫，折射率和體積同時改變。利用端面蘸取的方式連接導入光纖和敏感F-P腔，可以獲得具有超短腔長。

本發明的基於全瓊脂F-P腔的超高靈敏度的光纖溼度傳感器採用如附圖2所示的設備來製備，該設備包括加熱平臺204、垂直立於所述加熱平臺上的位移平臺203，在位移平臺的頂部設置有一光纖夾202。所述加熱平臺上可以放置瓊脂溶液205，所述光纖夾上可以夾光纖201，所述位移平臺垂直於所述加熱平臺、可以垂直地進行升降，以使得所述光纖與瓊脂溶液進行接觸或者分離。本發明的光纖溼度傳感器具體製備方法如下：

(1)將白色的瓊脂粉末溶於沸水，攪拌至均勻。攪拌目的是使瓊脂充分溶解，溶液混合均勻至其膠體具有良好、穩定的光學特性。

(2)普通單模光纖，端面切平，用光纖夾夾持於垂直位移平臺，如附圖2的左側部分所示，等待鍍膜。

(3)把熱的瓊脂溶液置於100℃加熱平臺上；調整垂直位移平臺，使單模光纖端面垂直接觸瓊脂溶液，如附圖2的中間部分所示，通過控制蘸取次數，可以控制瓊脂膜的厚度。

(4)在室溫條件下，將鍍有瓊脂膜的單模光纖冷卻30min，至瓊脂溶液凝結成穩定膠體，如附圖2的右側部分所示。

溼度檢測系統如附圖3所示，本發明的傳感器與環形器的2埠相連，1250-1650nm寬帶光源與環形器1埠相接，光譜分析儀與環形器3埠相接以測量傳感器反射光譜。將傳感器探頭置於密閉、恆溫恆壓、且溼度可調的溼度箱內。改變溼度箱內溼度，通過光譜儀記錄傳感器反射光譜，根據光譜漂移即可解調出環境相對溼度的變化。

附圖4為在室溫25℃條件下測量的本發明的傳感器的典型反射光譜，解析度高達20.69dB，自由光譜範圍達108.75nm。分別測試溼度上升級下降過程的反射光譜，由10％RH變化到70％RH，溼度變化梯度為5％RH。附圖5(a)以13.0％RH、31.2％RH、46.6％RH和64.0％RH為例，可見當溼度增加時光譜向長波方向漂移。附圖5(b)根據波谷所在位置繪製擬合直線，可得到傳感器的靈敏度高達4.10nm/％RH。遠高於同類傳感器，例如2015年X.F.Chen課題組的0.06nm/％RH,2012年L.H.Chen課題組的0.13nm/％RH(參見背景技術中的非專利文獻1和非專利文獻2)。

綜上所述，不同於以往利用溼度敏感材料作為媒介，本發明直接將一層敏感材料薄膜作為F-P腔，是國內外首創。首先，從結構上優化了對敏感材料的利用，既利用了折射率的改變又利用了體積的改變，致使獲得更高的靈敏度成為了可能。本發明的靈敏度高達4.10nm/％RH，是X.F.Chen課題組的0.06nm/％RH的68.3倍,L.H.Chen課題組的0.13nm/％RH的31.5倍。其次，首創的用瓊脂鍍膜形成F-P腔的方法使得腔長足夠短，超短腔長帶來超高的靈敏度，本發明的腔長只有6.66um以獲得4.10nm/％RH的超高靈敏度。而且，超短的腔長使得本發明的響應時間超短，當溼度從17.2％RH變化13.0％RH時只有810ms。再次，本發明由普通單模光纖和瓊脂構成，不需要其他材料；鍍膜工藝極其簡單，不需要額外複雜昂貴的工具，使得本發明製備簡單，成本低廉，極具市場前景。

以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限於這些說明。對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬於本發明的保護範圍。