一種基於拉錐及灌注型光子晶體光纖的溼度傳感器及裝置的製作方法

2023-10-24 10:02:27 3

專利名稱：一種基於拉錐及灌注型光子晶體光纖的溼度傳感器及裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於光纖傳感技術領域，具體涉及一種基於拉錐及灌注型光子晶體光纖的 溼度傳感器。
背景技術：
溼度與溫度一樣，是人們可以感知的，廣義上講是定義水分含量的物理量。隨著工 業，科研領域對環境參數要求的提高，「溼度」越來越顯得重要，尤其是在一些對環境要求苛 刻的科研試驗中，「溼度」值將直接影響試驗的結果，因此現在溼度已經作為一門單獨的學 科開始研究。同時隨著人們的生活質量的提高，對居住環境的要求也越來越高，「溼度」也 是影響人們生活舒適度的一個重要參數，很多家庭購買加溼器就是這個緣故，所以總的來 說，「溼度」與人們的生活已經越來越近。隨著工農業，國防、科技及整個國民經濟的迅猛發 展，對環境溼度的控制和檢測越來越受到人們的重視，市場也越來越大。在石油化工、電力、 紡織等領域中，往往涉及易燃、易爆場合的溫/溼度測量問題，對傳感器的阻燃、防爆性能 提出特殊要求，對溼度參量進行有效實時監測和控制，是正常生產的前提。早先發明的乾濕 球溼度計或毛髮溼度計結構簡單、測量精度不高，已不足以滿足現代科技發展的需要。近年 來，隨著光纖技術和光集成技術的發展，光學溼度傳感器受到極大關注並被廣泛應用。光纖傳感器有許多獨特的優點，如對電磁幹擾不敏感，靈敏度高，體積小，抗腐蝕， 可應用於各種不同的環境中。用光纖作為溼度測量媒介的機理多種多樣，而基於布拉格光 纖光柵或長周期光纖光柵的溼度傳感器以其較簡單的原理一採用溼度變化引起的波長漂 移量或強度變化進行解調即可得到溼度信息，而受到人們的重視。然而，布拉格光纖光柵溼 度傳感器的靈敏度比較低，無法應用於高靈敏測溼領域，同時監測要用到光譜儀等價格昂 貴，不利於FBG溼度傳感器的推廣應用；長周期光纖光柵溼度傳感器由於其對彎曲的極度 敏感性，在溼度測量過程中極易引入無法預見的幹擾，因此對測量條件要求非常高。光子晶體光纖是一種新型光纖，其包層中沿軸向周期性排列著波長量級的空氣 孔，具有二維光子晶體結構。通過對這些空氣孔的大小、分布或折射率的靈活設計，可以實 現不同的功能。本發明就是在光子晶體光纖包層的空氣孔中灌注溼度敏感型溶液來實現溼 度傳感。

發明內容
本發明目的就是針對現有光纖溼度傳感器存在的價格昂貴、靈敏度不高的缺點， 提出了一種簡單、緊湊、價格便宜、靈敏度高的基於拉錐型的光子晶體光纖與灌注溼度敏感 型溶液結合形成的溼度傳感器。本發明為解決技術問題所採取的技術方案是—種基於拉錐及灌注型的光子晶體光纖溼度傳感器及裝置，包括光源、光子晶體 光纖、單模光纖、光纖準直器、V型槽、溼度敏感型溶液和光功率計。首先將Icm長的光子晶體光纖拉錐處理，並在包層的空氣孔中灌入溼度敏感型溶液，具體灌注方法可參考文獻Y. Y. Huang, Y. Xu, Amnon Yariv, "Fabrication of functional microstructured optical fibersthrough a selective-filling technique, "Applied Physics Letters，Vol. 85，No. 22，2004。V 型槽上的光子晶體光纖通 過光纖準直器形成一準直系統，開放式的光子晶體光纖更有利於對溼度的感應。兩個光纖 準直器通過單模光纖分別與光源和光功率計相連，形成溼度傳感裝置。本發明所具有的優點為光纖拉錐處理後的光子晶體光纖使得束腰部分纖芯變 細，在纖芯傳輸光的有效模場面積相對變大，包層相對摺射率的變化對光的傳輸影響較大。 又因光子晶體光纖中灌注的溶液對溼度變化非常敏感，隨溼度增加溶液折射率增加。因此 當外界環境溼度變化時會引起空氣孔中溶液折射率變化，從而導致包層相對摺射率變化， 使在纖芯傳輸的光極易擴展到包層，導致纖芯中傳輸光的能量減少，通過監測輸出光的光 強大小就可以解調出溼度信息。在從0到100% RH整個溼度範圍內，光強損耗從0. 17dB/ cm變化到73dB/cm，變化範圍很大，用光功率計就可監測，然而基於FBG的溼度傳感器監測 部分價格十分昂貴；取Icm的光子晶體光纖用於傳感部分，則該器件結構緊湊，體積小，監 測裝置價格便宜，製作成本低等優點，可廣泛應用於各種溼度監測領域。


圖1為本發明的裝置結構圖；圖2為本發明中光子晶體光纖傳感頭的示意圖；圖3為光子晶體光纖端面結構圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明進一步描述。如圖1所示，一種基於拉錐及灌注型光子晶體光纖的溼度傳感器及裝置，主要包 括光源1、單模光纖2、光纖準直器3，光子晶體光纖4、光功率計5和V型槽6。光源1經單 模光纖2連接到左邊光纖準直器3，將光子晶體光纖4固定於V型槽6上，出射光經右邊 光纖準直器3耦合入單模光纖2，再連接到光功率計5。Icm長的光子晶體光纖4作為傳感 頭，將該光子晶體光纖拉錐處理後如圖2，其束腰8僅有5mm，光子晶體光纖由125 μ m變為 30 μ m,空氣孔與纖芯的距離縮短，在包層的六個空氣孔9中灌入溼度敏感型溶液7。其端面 結構如圖3，其中六個空氣孔9直徑都為30 μ m,光子晶體光纖纖芯10為8 μ m，其他部分為 二氧化矽11。本發明裝置的工作方式為由光源發出的光經單模光纖入射到光纖準直器，其將 光纖端面出射的發散光束進行準直變成平行光束進入光子晶體光纖，出射光再經光纖準直 器其作用是將平行光束會聚並高效耦合入單模光纖入射到光功率計，由光功率計檢測出射 光強大小。光子晶體光纖拉錐後纖芯變細，在外界環境溼度變化時，會引起光子晶體光纖空 氣孔中灌注溼度敏感型溶液折射率發生改變，即包層相對摺射率改變，包層相對摺射率的 變化對光的傳輸影響較大，導致一部分光極易擴展到包層，從而纖芯中傳輸的光強減弱，利 用光功率計就可檢測到輸出光強的大小。其理論實驗結果如表一。表一溼度與損耗的變化關係
4溼度(% RH)204060708090損耗(dB/cm)0. 4510. 9081. 9697. 92313. 90173. 378 本發明裝置能夠實現溼度測量的關鍵為選用光子晶體光纖要經過光纖拉錐，拉 錐後光子晶體光纖直徑變為30 μ m,並且拉錐後束腰為5mm。再在空氣孔中灌注溼度敏感型 溶液，我們選用的溼度敏感型液體為溶膠-凝膠法配置的水凝膠，在相對溼度從0到100% RH變化過程中，溼敏材料的折射率亦相應地從1. 367增大到1. 431，總的變化量達到0. 064， 呈現出良好的溼敏特性。
權利要求
一種基於拉錐及灌注型光子晶體光纖的溼度傳感器及裝置，包括光源(1)、單模光纖(2)、光纖準直器(3)、光子晶體光纖(4)、光功率計(5)和V型槽(6)，其特徵在於該發明裝置將拉錐及灌注溼度敏感型溶液後的光子晶體光纖放在V型槽，開放式的光子晶體光纖易於溼度感應，其兩端分別放光纖準直器形成一準直系統，兩個光纖準直器通過單模光纖分別與光源和光功率計相連接。
2.如權利1所述的光子晶體光纖，其特徵在於包層中6個空氣孔的直徑為30μ m，將光 子晶體光纖拉錐後直徑變為30 μ m，在包層的空氣孔中灌注溼度敏感型溶液後能達到溼度 測量的效果。
3.如權利1所述的光纖準直器和V型槽，其特徵在於光纖端面出射的發散光束進行準 直變成平行光束或者將平行光束會聚並高效耦合入光纖，形成一準直系統。
4.如權利1所述的溼度敏感型溶液，其特徵在於該溶液的折射率對溼度較敏感，隨溼 度變化折射率有相應變化，可以是水溶液。
全文摘要
本發明涉及一種基於拉錐及灌注型光子晶體光纖的溼度傳感器及裝置，以極其緊湊的結構解決了一般光纖溼度傳感器存在的溼度靈敏度低、價格昂貴的缺點。本發明中取1cm光子晶體光纖拉錐並在包層的空氣孔中灌注一種溼度敏感型溶液，開放式的光子晶體光纖更有利於對溼度的感應。當外界環境溼度變化時，會引起光子晶體光纖空氣孔中灌注溼度敏感型溶液折射率發生改變，影響纖芯中的光的傳輸。光子晶體光纖拉錐後纖芯變細，導致纖芯中光極易擴展到包層，從而纖芯中傳輸的光強減弱，利用光功率計就可檢測到輸出光強的大小。本發明傳感器的結構簡單，價格便宜，可操作性強，可廣泛應用於各種溼度監測領域。
文檔編號G01N21/41GK101936897SQ201010211658
公開日2011年1月5日 申請日期2010年6月29日 優先權日2010年6月29日
發明者李濤, 董新永, 趙春柳, 金永興, 錢文文 申請人:中國計量學院