專(zhuān)利名稱(chēng)：一種濕度檢測(cè)裝置上用的光纖濕度傳感器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)領(lǐng)域，特別涉及到一種用于環(huán)境濕度檢測(cè)裝置上的光纖濕度傳感器以及其制作方法。
背景技術(shù)：
濕度與溫度一樣，是人們可以感知的，廣義上講是定義水分含量的物理量，是環(huán)境參量中較難檢測(cè)的物理量之一。這是因?yàn)闇y(cè)量濕度要比測(cè)量溫度復(fù)雜的多，溫度是個(gè)獨(dú)立的被測(cè)量，而濕度卻受其他因素(大氣壓強(qiáng)、溫度)的影響。然而在各種工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物和醫(yī)學(xué)中對(duì)濕度進(jìn)行精確測(cè)量、檢測(cè)和控制具有重要的意義。用干濕球濕度計(jì)或毛發(fā)濕度計(jì)來(lái)測(cè)量濕度的方法，早已無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代科技發(fā)展的需要，傳 統(tǒng)的電感電容濕度傳感器易受電磁干擾，不適合工作在高電壓和強(qiáng)電場(chǎng)等惡劣環(huán)境中。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，同時(shí)隨著光纖技術(shù)和光集成技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)濕度傳感器受到極大關(guān)注并被廣泛應(yīng)用。濕敏傳感器正從簡(jiǎn)單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測(cè)的方向迅速發(fā)展，為開(kāi)發(fā)新一代濕度/溫度測(cè)控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件，也將濕度測(cè)量技術(shù)提高到新的水平。光纖傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一種新型傳感技術(shù)。與傳統(tǒng)電子傳感器相比，光纖傳感器擁有耐高溫、耐腐蝕、抗電磁干擾、尺寸小、分布式測(cè)量等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)、軍事和科研等領(lǐng)域受到越來(lái)越多的重視，尤其是在信息科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域表現(xiàn)出越來(lái)越強(qiáng)大的生命力，隨著新型學(xué)科的交叉滲透，它將會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。光纖及光纖光柵濕度傳感器，是以光纖為傳感介質(zhì)，光纖本身對(duì)環(huán)境濕度不敏感，用濕度敏感性復(fù)合材料在光纖表面形成均勻涂層，其傳感原理在于濕度敏感性材料能與濕度發(fā)生有關(guān)的物理效應(yīng)或化學(xué)效應(yīng)，引起光在光纖中傳輸信號(hào)的變化。目前已報(bào)道的光纖及光纖光柵濕度傳感器測(cè)量存在靈敏度不高、尺寸大以及光柵制作工藝復(fù)雜的缺點(diǎn)，同時(shí)光纖光柵濕度傳感器易受外界環(huán)境溫度、折射率、彎曲等條件的影響，在濕度測(cè)量過(guò)程中極易引入無(wú)法預(yù)見(jiàn)的干擾，因此對(duì)測(cè)量條件要求非常高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種用于環(huán)境濕度檢測(cè)裝置上的光纖濕度傳感器以及其制作方法。本發(fā)明的濕度傳感器要求要具有體積小、靈敏度高的特點(diǎn)，并且制作工藝簡(jiǎn)單方便，易于普遍使用。為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下
一種濕度檢測(cè)裝置上用的光纖濕度傳感器，該濕度檢測(cè)裝置中包括有寬帶光源、光纖耦合器、波長(zhǎng)解調(diào)儀、單模光纖和濕度傳感器，所述的寬帶光源和波長(zhǎng)解調(diào)儀分別與光纖耦合器連接，該光纖耦合器通過(guò)單模光纖連接濕度傳感器，其特征在于，所述的濕度傳感器包括有熔接在所述單模光纖端部的實(shí)心光子晶體光纖，該實(shí)心光子晶體光纖的尾端空氣孔坍塌融為球形，該實(shí)心光子晶體光纖的表面涂覆有作為濕度敏感性材料的聚乙烯醇涂層。在本發(fā)明的濕度檢測(cè)裝置上用的光纖濕度傳感器中，所述的濕度傳感器通過(guò)3dB光纖耦合器分別與寬帶光源和波長(zhǎng)解調(diào)儀相連接。在本發(fā)明的濕度檢測(cè)裝置上用的光纖濕度傳感器中，所述實(shí)心光子晶體光纖的長(zhǎng)度為O. 5mm 2mmο一種制作所述濕度檢測(cè)裝置上用的光纖濕度傳感器的方法，其特征在于，該方法包括如下具體步驟
第一步，取一段具有石英-空氣基質(zhì)包層的實(shí)心光子晶體光纖，剝掉涂覆層，用光纖熔接機(jī)熔接該實(shí)心光子晶體光纖和單模光纖，熔接時(shí)使實(shí)心光子晶體光纖的空氣孔在單模光纖熔接點(diǎn)附近全部坍塌； 第二步，將實(shí)心光子晶體光纖的大部分剪掉，使得實(shí)心光子晶體光纖的長(zhǎng)度保持在O. 5mm 2mm，再次利用熔接機(jī)將實(shí)心光子晶體光纖的尾端空氣孔坍塌熔成為球形；
第三步，將熔好的實(shí)心光子晶體光纖在去離子水中清洗8 12分鐘，用紫外燈烘干；第四步，取聚乙烯醇顆粒溶解在水中，在室溫下攪拌至完全溶解形成5%的聚乙烯醇溶液，將第三步的實(shí)心光子晶體光纖在所述5%的聚乙烯醇溶液中浸泡40分鐘，形成聚乙烯醇涂層；
第五步，第四步完成的實(shí)心光子晶體光纖作為濕度傳感頭放在恒溫箱溫度40°C保持I小時(shí)使實(shí)心光子晶體光纖涂層中水分蒸發(fā)，完成濕度傳感器的設(shè)計(jì)制作?；谏鲜黾夹g(shù)方案，本發(fā)明所述的濕度檢測(cè)裝置上用的光纖濕度傳感器及其制作工藝與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下技術(shù)優(yōu)點(diǎn)
I.本發(fā)明的濕度傳感器中實(shí)心光子晶體光纖與普通單模光纖熔接后致使熔接區(qū)域空氣孔坍塌，利用光纖熔接機(jī)將另一開(kāi)放端光纖空氣孔坍塌，通過(guò)調(diào)節(jié)光纖熔接機(jī)的參數(shù)就可完成制作，因此制作工藝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單方便，易于實(shí)踐推廣使用。2.在本發(fā)明的濕度傳感器中光子晶體光纖的長(zhǎng)度約O. 5mm-2mm,該器件結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，制作成本低等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各種濕度監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。3.在本發(fā)明的濕度傳感器中光子晶體光纖特殊的光纖結(jié)構(gòu)使其具有溫度不敏感特性，成功消除了濕度檢測(cè)過(guò)程中溫度的串?dāng)_。4.在本發(fā)明的濕度傳感器件利用5%的聚乙烯醇溶液具有良好的濕度敏感特性，隨外界環(huán)境濕度的變化，聚乙烯醇的折射率有著相應(yīng)的變化。


圖I是含有本發(fā)明濕度傳感器的濕度檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)連接示意圖。圖2是本發(fā)明濕度檢測(cè)裝置上用的光纖濕度傳感器的結(jié)構(gòu)剖視圖。圖3是本發(fā)明濕度傳感器中實(shí)體光子晶體光纖的端面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面我們結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例來(lái)對(duì)本發(fā)明的濕度檢測(cè)裝置上用的濕度傳感器及其制作方法做進(jìn)一步的詳細(xì)闡述，以求更為清楚明了地理解本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征和制作工藝，但不能以此來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
實(shí)心光子晶體光纖作為一種新型的特殊結(jié)構(gòu)的光纖，其包層中沿軸向周期性排列著波長(zhǎng)量級(jí)的空氣孔，具有二維光子晶體結(jié)構(gòu)，打破了傳統(tǒng)光纖光學(xué)的束縛。實(shí)心光子晶體光纖特殊的光纖結(jié)構(gòu)，使其具有普通光纖無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，光子晶體光纖中存在著纖芯基模、包層模及混合模，且外界物理參數(shù)的變化對(duì)不同模式的影響不同，可以利用這一特性激發(fā)不同的模式，形成模式干涉，實(shí)現(xiàn)外界物理參數(shù)的測(cè)量。本發(fā)明的濕度檢測(cè)裝置中包括有寬帶光源I、光纖耦合器2、波長(zhǎng)解調(diào)儀3、單模光纖5和濕度傳感器4，所述的寬帶光源I和波長(zhǎng)解調(diào)儀3分別與光纖耦合器2連接，該光纖耦合器2通過(guò)單模光纖5連接濕度傳感器4。實(shí)踐中，濕度傳感器4通過(guò)3dB光纖耦合器2分別與寬帶光源I和波長(zhǎng)解調(diào)儀3相連接。圖I中寬帶光源I與3dB光纖耦合器2的一端相連，光纖耦合器2的另一端與波長(zhǎng)解調(diào)儀3相連，光纖耦合器2的另一端連接到單模光纖5的一端，經(jīng)過(guò)單模光纖5的另一端與實(shí)心光子晶體光纖 做成的濕度傳感器4熔接。作為本發(fā)明專(zhuān)利核心的濕度傳感器包括有熔接在所述單模光纖端部的實(shí)心光子晶體光纖，該實(shí)心光子晶體光纖的尾端空氣孔坍塌融為球形，該實(shí)心光子晶體光纖的表面涂覆有作為濕度敏感性材料的聚乙烯醇涂層。在一個(gè)實(shí)施例中選用1.37_長(zhǎng)的實(shí)心光子晶體光纖涂覆一層聚乙烯醇涂覆層6作為傳感頭，示意圖如圖2所示，實(shí)心光子晶體光纖端面結(jié)構(gòu)如圖3，實(shí)心光子晶體光纖包層中沿軸向周期性排列著波長(zhǎng)量級(jí)的空氣孔，具有二維光子晶體結(jié)構(gòu)。本發(fā)明在實(shí)心光子晶體光纖涂覆一層濕敏材料——聚乙烯醇作為濕度傳感頭，來(lái)感應(yīng)外界環(huán)境濕度的變化。當(dāng)外界濕度變化時(shí)，濕敏材料折射率發(fā)生相應(yīng)變化，影響光子晶體光纖包層模的傳輸，從而引起光子晶體光纖模式干涉的波長(zhǎng)發(fā)生變化。實(shí)心光子晶體光纖傳感器的溫度不敏感特性，提高了濕度測(cè)量的準(zhǔn)確性。本發(fā)明的濕度傳感器就是利用實(shí)心光子晶體光纖自身獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，做出了無(wú)需封裝、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、本質(zhì)安全、靈敏度高、低成本的微型光子晶體光纖濕度傳感器。入射光經(jīng)單模光纖入射到光子晶體光纖，熔接點(diǎn)附近由于空氣孔坍塌，單模光纖中纖芯模一部分沿光子晶體光纖纖芯傳輸，一部分激發(fā)到包層模傳輸，然后包層模和纖芯模在光子晶體光纖尾部發(fā)生耦合回到光子晶體光纖纖芯中傳輸，在光子晶體光纖傳輸過(guò)程中，包層模和纖芯基模就會(huì)產(chǎn)生相位差，模式干涉的傳輸光強(qiáng)可表示為
T(I) 二 /,；(a) +Jcs(A) + 2[Ic,(A)Icg(A)f2 ￡θΒ(2πΜ0 Ι /1)
式中I和Ji0分別是包層和纖芯中傳輸能量，Anfff = ηζ0 — ncI是纖芯ηζ 與包層 c/的有效折射率差，Z為光子晶體光纖的長(zhǎng)度，λ為傳輸波長(zhǎng)。在光子晶體光纖表面涂覆一層濕敏材料，當(dāng)外界環(huán)境濕度發(fā)生變化時(shí)引起濕敏涂層折射率的變化，光纖包層模有效折射率易受光纖外界環(huán)境折射率的影響而變化，從而纖芯與包層模有效折射率差改變，導(dǎo)致模式干涉峰發(fā)生波長(zhǎng)漂移，通過(guò)檢測(cè)波長(zhǎng)漂移來(lái)解調(diào)濕度變化的信息。結(jié)合附圖2對(duì)本發(fā)明中光纖濕度傳感頭的具體設(shè)計(jì)如下
第一步，取一段具有石英-空氣基質(zhì)包層的實(shí)芯光子晶體光纖，剝掉涂覆層，用DCMFusion Splicer 39型光纖熔接機(jī)手動(dòng)熔接光子晶體光纖和普通單模光纖，調(diào)節(jié)熔接機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)Fusion time-0042 sec, Prefusion time-0. 02, Arc power_027step,再附加一次放電，使光子晶體光纖空氣孔在與單模光纖熔接點(diǎn)附近全部坍塌。第二步，將熔接到一起的實(shí)心光子晶體光纖大部分剪掉，再次利用熔接機(jī)將光子晶體光纖的尾端空氣孔坍塌融成球形，最后的結(jié)構(gòu)如圖2所示。第三步，將熔接好的光子晶體光纖在去離子水中清洗十分鐘，用紫外燈烘干。第四步，選用聚乙烯醇顆粒溶解在水中，在室溫下攪拌直到完全溶解，形成5%的溶液。聚乙烯醇有好的粘附性、濕度敏感性和熱穩(wěn)定性，當(dāng)溶液濃度達(dá)到2-3%時(shí)即可形成溶膠-凝膠狀態(tài)。將光子晶體光纖放在5%的聚乙烯醇溶液中保持40分鐘后取出。
第五步，所述的實(shí)心光子晶體光纖濕度傳感頭放在恒溫箱溫度40 ° C保持I小時(shí)使光纖涂層中水分蒸發(fā)，完成濕度傳感器的設(shè)計(jì)制作。本發(fā)明的濕度檢測(cè)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)濕度檢測(cè)、提高精度的關(guān)鍵技術(shù)為
實(shí)心光子晶體光纖纖芯由純石英構(gòu)成，包層中分布著沿徑向周期性排列、沿光纖軸向伸展的波長(zhǎng)量級(jí)的空氣孔，在與單模光纖熔接過(guò)程中，手動(dòng)調(diào)節(jié)熔接機(jī)的參數(shù)，致使光子晶體光纖兩端空氣孔坍塌，光在纖芯和包層傳輸過(guò)程中產(chǎn)生相位差，光子晶體光纖的纖芯基模與包層模發(fā)生耦合，形成一種簡(jiǎn)單穩(wěn)定的模式干涉。在光子晶體光纖表面涂覆一層聚乙烯醇，作為傳感頭來(lái)檢測(cè)外界環(huán)境濕度的變化。利用實(shí)心光子晶體光纖自身結(jié)構(gòu)解決了一般濕度傳感器的制作工藝復(fù)雜等問(wèn)題，該結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡(jiǎn)單。當(dāng)外界環(huán)境濕度變化時(shí)，涂層聚乙烯醇的折射率發(fā)生相應(yīng)變化，影響光子晶體光纖包層模的傳輸，從而引起光子晶體光纖模式干涉波長(zhǎng)發(fā)生飄移，實(shí)現(xiàn)了濕度的檢測(cè)。同時(shí)光子晶體光纖特殊的光纖結(jié)構(gòu)使其具有普通單模光纖無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，光子晶體光纖傳感器的溫度不敏感特性，提高了濕度傳感器的準(zhǔn)確度。
權(quán)利要求
1.一種濕度檢測(cè)裝置上用的光纖濕度傳感器，該光纖濕度檢測(cè)裝置中包括有寬帶光源、光纖耦合器、波長(zhǎng)解調(diào)儀、單模光纖和濕度傳感器，所述的寬帶光源和波長(zhǎng)解調(diào)儀分別與光纖耦合器連接，該光纖耦合器通過(guò)單模光纖連接濕度傳感器，其特征在于，所述的濕度傳感器包括有熔接在所述單模光纖端部的實(shí)心光子晶體光纖，該實(shí)心光子晶體光纖的尾端空氣孔坍塌融為球形，該實(shí)心光子晶體光纖的表面涂覆有作為濕度敏感性材料的聚乙烯醇涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種濕度檢測(cè)裝置上用的光纖濕度傳感器，其特征在于，所述的濕度傳感器通過(guò)3dB光纖耦合器分別與寬帶光源和波長(zhǎng)解調(diào)儀相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種濕度檢測(cè)裝置上用的光纖濕度傳感器，其特征在于，所述實(shí)心光子晶體光纖的長(zhǎng)度為0. 5mm 2mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種濕度檢測(cè)裝置上用的光纖濕度傳感器，其特征在于，該方法包括如下具體步驟 第一步，取一段具有石英-空氣基質(zhì)包層的實(shí)心光子晶體光纖，剝掉涂覆層，用光纖熔接機(jī)熔接該實(shí)心光子晶體光纖和單模光纖，熔接時(shí)使實(shí)心光子晶體光纖的空氣孔在于單模光纖熔接點(diǎn)附近全部坍塌； 第二步，將實(shí)心光子晶體光纖的大部分剪掉，使得實(shí)心光子晶體光纖的長(zhǎng)度保持在.0.5mm 2mm，再次利用熔接機(jī)將實(shí)心光子晶體光纖的尾端空氣孔坍塌熔成為球形； 第三步，將熔好的實(shí)心光子晶體光纖在去離子水中清洗8 12分鐘，用紫外燈烘干； 第四步，取聚乙烯醇顆粒溶解在水中，在室溫下攪拌至完全溶解形成5%的聚乙烯醇溶液，將第三步的實(shí)心光子晶體光纖在所述5%的聚乙烯醇溶液中浸泡40分鐘，形成聚乙烯醇涂層； 第五步，第四步完成的實(shí)心光子晶體光纖作為濕度傳感頭放在恒溫箱溫度40°C保持I小時(shí)使實(shí)心光子晶體光纖涂層中水分蒸發(fā)，完成濕度傳感器的設(shè)計(jì)制作。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種濕度檢測(cè)裝置上用的光纖濕度傳感器，該濕度檢測(cè)裝置中包括有寬帶光源、光纖耦合器、波長(zhǎng)解調(diào)儀、單模光纖和濕度傳感器，所述的寬帶光源和波長(zhǎng)解調(diào)儀分別與光纖耦合器連接，該光纖耦合器通過(guò)單模光纖連接濕度傳感器，所述的濕度傳感器包括有熔接在所述單模光纖端部的實(shí)心光子晶體光纖，該實(shí)心光子晶體光纖的尾端空氣孔坍塌融為球形，該實(shí)心光子晶體光纖的表面涂覆有作為濕度敏感性材料的聚乙烯醇涂層；其制作方法是先將實(shí)心光子晶體光纖和單模光纖熔接后制作傳感頭，然后在實(shí)心光子晶體光纖上涂覆濕度敏感材料涂層。本發(fā)明的濕度傳感器無(wú)需封裝、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、本質(zhì)安全、靈敏度高，其制作工藝簡(jiǎn)單方便，且制作成本低。
文檔編號(hào)G01N21/45GK102768200SQ20121028713
公開(kāi)日2012年11月7日 申請(qǐng)日期2012年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月14日
發(fā)明者李濤, 肖愷, 趙浩, 黎載紅 申請(qǐng)人:平湖波匯通信科技有限公司