本發(fā)明屬于光纖傳感領(lǐng)域，特別涉及一種基于微結(jié)構(gòu)光纖和紫外固化膠的光纖溫濕度傳感器及其解調(diào)方法。

背景技術(shù)：
近年來(lái)，光纖傳感技術(shù)的飛速發(fā)展得到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注，與傳統(tǒng)的電學(xué)傳感器相比，光纖傳感器的靈敏度、動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍、響應(yīng)時(shí)間等傳感參數(shù)都有很大的提升，且本身體積小重量輕，抗電磁干擾，易實(shí)現(xiàn)低成本遠(yuǎn)距離準(zhǔn)分布式傳感，因而廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)、機(jī)械制造、醫(yī)藥生產(chǎn)、航空航天和國(guó)防科技等領(lǐng)域。其中環(huán)境濕度，作為生產(chǎn)生活中最基本且重要的傳感參量，對(duì)其進(jìn)行精確解調(diào)已成為光纖傳感研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一?；诓煌慕Y(jié)構(gòu)，人們提出了多種光纖濕度傳感器方案，如Sens.ActuatorsBChem.147,385–391(2010)和IEEESensorsJ,13(5),2026-2031(2013)這兩篇文章所提出的，基于光纖干涉儀結(jié)構(gòu)結(jié)合濕度膜材料的傳感器設(shè)計(jì)方案，濕度膜材料折射率的變化，引起干涉儀干涉波長(zhǎng)的漂移，從而解調(diào)出濕度信息；又如Appl.Opt.52(1),90-95(2012)和IEEEPhoton.Tech.Lett.21(7),441-443(2009)所提出的分別基于濕度膜修飾的長(zhǎng)周期光柵和傾斜光柵結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，濕度膜材料折射率的變化，引起長(zhǎng)周期光柵波長(zhǎng)的漂移或者是傾斜光柵包層諧振模式的能量衰減，從而解調(diào)出濕度信息。但這些方案都基于透射光譜，同時(shí)存在較大的溫度或者應(yīng)力交叉敏感問(wèn)題，限制了實(shí)際的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是分布式傳感的可行性。另一方面，由于相對(duì)濕度是溫度的函數(shù)，溫度的改變會(huì)對(duì)濕度值產(chǎn)生較大影響，在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，同時(shí)給出溫度和濕度信息才有意義。因此實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度和濕度的同時(shí)測(cè)量，并易于分布式組網(wǎng)的光纖傳感器方案顯得尤為重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有光纖濕度傳感技術(shù)中，缺乏有效的溫濕度同時(shí)檢測(cè)手段，并且分布式組網(wǎng)能力不強(qiáng)的不足，提供了一種基于微結(jié)構(gòu)光纖和紫外固化膠的光纖溫濕度傳感器及利用快速傅里葉變換分析的傳感解調(diào)方法。本發(fā)明具備集成度高，測(cè)量準(zhǔn)確，靈敏度，響應(yīng)速度快，抗電磁干擾等特點(diǎn)，不僅適于單點(diǎn)溫濕度測(cè)量，也可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)準(zhǔn)分布式溫濕度監(jiān)控。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：一種光纖溫濕度傳感器，它主要由單模光纖、四葉草微結(jié)構(gòu)光纖、紫外固化膠層三部分組成；四葉草微結(jié)構(gòu)光纖一端與單模光纖熔接，熔接處形成第一反射面；四葉草微結(jié)構(gòu)光纖另一端通過(guò)點(diǎn)膠并固化的方式制備紫外固化膠層，四葉草微結(jié)構(gòu)光纖與紫外固化膠層之間形成第二反射面，紫外固化膠層與外界空氣之間形成第三反射面，由三個(gè)反射面形成三個(gè)F-P腔結(jié)構(gòu)；所述四葉草微結(jié)構(gòu)光纖外徑為125微米，光纖纖芯的內(nèi)徑為11微米，光纖纖芯的周圍對(duì)稱開有四個(gè)圓心角為85度，半徑為64微米的扇形空氣孔。一種含有上述光纖溫濕度傳感器的光纖溫濕度傳感系統(tǒng)，還包括寬譜光源、光譜儀、光纖耦合器、數(shù)據(jù)采集處理器和溫濕度控制箱；光纖耦合器的兩個(gè)分路端分別與寬譜光源和光譜儀進(jìn)行連接，光纖耦合器的合路端與光纖溫濕度傳感器相連，光纖溫濕度傳感器置于溫濕度控制箱中，進(jìn)行溫濕度測(cè)試；數(shù)據(jù)采集處理器與光譜儀相連。一種基于上述光纖溫濕度傳感系統(tǒng)的溫濕度解調(diào)方法，該方法包括以下步驟：(1)開啟寬譜光源，入射光經(jīng)由光纖耦合器進(jìn)入光纖溫濕度傳感器的雙F-P腔結(jié)構(gòu)，經(jīng)由三個(gè)反射面，，依次反射后，再次經(jīng)過(guò)光纖耦合器進(jìn)入光譜儀接收端，產(chǎn)生干涉光譜信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)線被采集進(jìn)入數(shù)據(jù)采集處理器，完成FFT過(guò)程，獲得最終的頻譜和相位信息：由第一反射面和第二反射面所形成的第一F-P腔的特征頻率為ξ1、光波相位項(xiàng)為由第二反射面和第三反射面所形成的第二F-P腔的特征頻率為ξ2、相位項(xiàng)為由第一反射面和第三反射面所形成的第三F-P腔的特征頻率為ξ3、相位項(xiàng)為(2)由于紫外固化膠有吸水性，環(huán)境濕度的變化會(huì)引起紫外固化膠的膨脹或收縮，折射率減小或增大，從而使和發(fā)生變化；而環(huán)境溫度的變化會(huì)同時(shí)引起光纖和紫外固化膠的膨脹或收縮，以及折射率的改變，從而引起和同時(shí)變化；通過(guò)數(shù)據(jù)采集處理器檢測(cè)和的變化，根據(jù)以下公式，可以同時(shí)得到環(huán)境的濕度和溫度信息：式中，kRH1和kRH3分別是和的濕度靈敏系數(shù)，kT1和kT3分別是和的溫度靈敏系數(shù)，Δφ1和Δφ3分別是和的變化量。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果：1、本發(fā)明提出的基于微結(jié)構(gòu)光纖和紫外固化膠的溫濕度傳感器是光纖反射式結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、抗電磁干擾等特點(diǎn)，尤其在大范圍、遠(yuǎn)距離、惡劣環(huán)境下易于實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)準(zhǔn)分布式光纖傳感。2、本發(fā)明提出的溫濕度解調(diào)方法是基于頻率信息進(jìn)行的，通過(guò)對(duì)光譜進(jìn)行傅里葉變換得到相位信息，實(shí)現(xiàn)溫濕度傳感信息解調(diào)。與傳統(tǒng)的光譜波長(zhǎng)、強(qiáng)度等解調(diào)方法相比，具有更高的靈敏度，且對(duì)干涉式的準(zhǔn)分布式傳感而言，多個(gè)傳感頭的反射信息疊加后形成的光譜雜亂，很難提取波長(zhǎng)、強(qiáng)度變化信息，而在頻域中進(jìn)行分析時(shí)，不同腔長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的特征頻率可以很容易分開和提取，方便傳感信息的解調(diào)，優(yōu)勢(shì)明顯。3、由于相對(duì)濕度是溫度的函數(shù)，實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合要給出某個(gè)溫度下的濕度信息才有意義。本發(fā)明提出的基于微結(jié)構(gòu)光纖和紫外固化膠的光纖溫濕度傳感器是雙F-P腔結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)解調(diào)溫度和濕度信息，從而可以滿足實(shí)際應(yīng)用層面對(duì)濕度的精確傳感要求。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明中所使用的四葉草微結(jié)構(gòu)光纖截面示意圖；圖2是本發(fā)明的基于四葉草微結(jié)構(gòu)光纖和紫外固化膠的光纖溫濕度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的溫濕度傳感系統(tǒng)示意圖；圖4是基于本發(fā)明的傳感器樣品測(cè)試頻譜圖；圖5是基于圖4中所用傳感器樣品的溫濕度傳感系統(tǒng)的濕度響應(yīng)測(cè)量結(jié)果圖；圖6是基于圖4中所用傳感器樣品的溫濕度傳感系統(tǒng)的溫度響應(yīng)測(cè)量結(jié)果圖。具體實(shí)施方式本發(fā)明是基于在普通單模光纖上熔接一段四葉草微結(jié)構(gòu)光纖并在其后制備紫外固化膠層形成復(fù)合F-P腔的結(jié)構(gòu)。其原理是由于不同濕度和溫度會(huì)改變相應(yīng)F-P腔的有效腔長(zhǎng)，導(dǎo)致其中光波相位的變化，通過(guò)同時(shí)探測(cè)多個(gè)不同腔長(zhǎng)對(duì)應(yīng)特征頻率下光波相位的變化量，聯(lián)立求解可以解調(diào)出溫度和濕度多參量信息。具體來(lái)講，本發(fā)明中所用的紫外固化膠具有吸水性，吸水后折射率變小，因此當(dāng)外界濕度發(fā)生變化時(shí)，紫外固化膠單獨(dú)形成的F-P腔、紫外固化膠和四葉草微結(jié)構(gòu)光纖共同形成的復(fù)合F-P腔的有效腔長(zhǎng)都會(huì)發(fā)生變化，對(duì)光譜傅里葉變換后，相應(yīng)特征頻率的相位量會(huì)隨著濕度變化而變化；而四葉草微結(jié)構(gòu)光纖所形成的F-P腔不受濕度變化影響，因此傅里葉變換后其對(duì)應(yīng)特征頻率的相位量將保持恒定。對(duì)于溫度變化來(lái)講，受材料的熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)作用，三個(gè)F-P腔的有效腔長(zhǎng)均會(huì)受到溫度影響，因此傅里葉變換后其對(duì)應(yīng)特征頻率的相位量都會(huì)隨著溫度的變化而變化。由于不同材料的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)存在差異，不同F(xiàn)-P腔的溫度響應(yīng)也大不相同。因此任選兩個(gè)F-P腔，通過(guò)對(duì)應(yīng)的兩個(gè)特征頻率下相位對(duì)溫度和濕度的不同響應(yīng)，利用矩陣法就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫、濕度的同時(shí)監(jiān)測(cè)。根據(jù)多光束干涉理論，三個(gè)反射面1、2和3反射的總光強(qiáng)可以表述為：式(1)中，I1，I2，I3為三個(gè)反射面的反射光強(qiáng)，n1，n2分別為四葉草微結(jié)構(gòu)光纖芯層模式有效折射率和紫外固化膠的折射率，分別為三個(gè)反射面位置光波的初始相位。對(duì)光譜圖進(jìn)行FFT變換，可以得到頻域信息。由于有三個(gè)反射面，因此可形成三個(gè)FP腔，對(duì)應(yīng)頻域譜的三個(gè)特征頻率：ξ1＝2n1l，ξ2＝2n2t，ξ3＝ξ1+ξ2＝2(n1l+n2t)。若用波數(shù)來(lái)進(jìn)行代換，則三個(gè)特征頻率所對(duì)應(yīng)的相位項(xiàng)可以表示為：對(duì)(1)式進(jìn)行傅里葉變換，可得F(ξi)＝∑An(ξi)δ(ξi)，i＝1,2,3。由于可知的范圍是(-π,π)，因此當(dāng)相位達(dá)到-π或π時(shí)會(huì)發(fā)生2π的跳變，可通過(guò)(m為整數(shù))進(jìn)行相位展開(phase-unwrapped)，保證相位隨傳感量的單調(diào)變化。由于紫外固化膠和四葉草微結(jié)構(gòu)光纖的長(zhǎng)度和折射率都會(huì)隨溫度發(fā)生改變，當(dāng)溫度變化時(shí)，存在以下關(guān)系式：因而可分別得到Φ1，Φ2，Φ3的溫度靈敏度kT1，kT2，kT3。由于紫外固化膠有吸水性，對(duì)濕度敏感，當(dāng)外界環(huán)境濕度改變時(shí)，紫外固化膠的腔長(zhǎng)、折射率均發(fā)生改變；而四葉草光纖對(duì)濕度不敏感，腔長(zhǎng)和折射率不隨濕度變化，即則當(dāng)濕度變化時(shí)，存在以下關(guān)系式：因此，由以上關(guān)系式可知，Φ1對(duì)濕度不敏感，即kRH1≈0，可利用它來(lái)解調(diào)環(huán)境溫度信息；Φ2，Φ3都對(duì)濕度敏感，且濕度靈敏度相同，即kRH2＝kRH3，兩者任選其一都可用來(lái)解調(diào)環(huán)境濕度信息。以Φ1，Φ3為例，兩個(gè)相位變化量與濕度和溫度變化存在以下矩陣關(guān)系：通過(guò)對(duì)上述矩陣求解可以得到相應(yīng)的濕度和溫度變化：從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境濕度和溫度的同時(shí)監(jiān)測(cè)。下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。附圖1給出了本發(fā)明中所用的四葉草微結(jié)構(gòu)光纖截面示意圖。此種光纖的外徑與普通單模光纖相同，均為125微米，光纖纖芯的內(nèi)徑為11微米。由于纖芯4的周圍對(duì)稱分布著四個(gè)圓心角85度，半徑64微米的扇形空氣孔5，因此命名此種特殊的微結(jié)構(gòu)光纖為四葉草微結(jié)構(gòu)光纖。附圖2給出了本發(fā)明的基于四葉草微結(jié)構(gòu)光纖和紫外固化膠的光纖溫濕度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，它主要由單模光纖1、四葉草微結(jié)構(gòu)光纖2、紫外固化膠層3三部分組成。單模光纖1和四葉草光纖2利用光纖熔接機(jī)進(jìn)行熔接，由于四葉草微結(jié)構(gòu)光纖纖芯4的直徑為11微米，與單模光纖芯層直徑失配，因此此處形成一個(gè)第一反射面6。顯微鏡下，通過(guò)點(diǎn)膠的方式在四葉草微結(jié)構(gòu)光纖2后端制備紫外固化膠層3，并在紫外固化燈下進(jìn)行固化，形成四葉草微結(jié)構(gòu)光纖2與紫外固化膠層3之間的第二反射面7，以及紫外固化膠層3與空氣之間的第三反射面8。由三個(gè)反射面6，7，8形成的三個(gè)F-P腔結(jié)構(gòu)，最終構(gòu)成本發(fā)明的光纖F-P型溫濕度傳感器。如附圖3所示，利用上述光纖溫濕度傳感器13的溫濕度傳感系統(tǒng)包括寬譜光源10、光纖耦合器12、光譜儀11、數(shù)據(jù)采集處理器15以及溫濕度控制箱14。首先將光纖耦合器12的兩個(gè)分路端12-1,12-2分別與寬譜光源10和光譜儀11進(jìn)行連接，再將光纖耦合器12的合路端12-3與光纖溫濕度傳感器13相連，最后將光纖溫濕度傳感器13放入溫濕度控制箱14中，進(jìn)行溫濕度測(cè)試，再將光譜儀11接收到的光譜信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集處理器15中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析得到各F-P腔的溫濕度靈敏度。按上述的光纖溫濕度傳感器，四葉草微結(jié)構(gòu)光纖2長(zhǎng)度在150微米左右，紫外固化膠層3的厚度在幾十微米量級(jí)，具體可根據(jù)對(duì)形成的復(fù)合F-P腔反射譜快速傅里葉變換(FFT)后空間頻率的實(shí)際要求，通過(guò)調(diào)整四葉草微微結(jié)構(gòu)光纖2的長(zhǎng)度以及紫外固化膠層3的點(diǎn)膠厚度，來(lái)設(shè)計(jì)復(fù)合F-P腔的不同腔長(zhǎng)比例。實(shí)施例：對(duì)某一傳感樣品進(jìn)行溫濕度測(cè)試，通過(guò)對(duì)得到的反射光譜進(jìn)行傅里葉變換得到附圖4所示的頻域譜信息，三個(gè)F-P腔對(duì)應(yīng)三個(gè)特征頻率，由于特征頻率的大小正比于F-P腔長(zhǎng)，因此三個(gè)譜峰從左到右依次對(duì)應(yīng)紫外固化膠層3、四葉草微結(jié)構(gòu)光纖2和復(fù)合F-P腔(紫外固化膠層3的長(zhǎng)度小于四葉草微結(jié)構(gòu)光纖2的長(zhǎng)度)。任選兩個(gè)峰的相位信息作為溫濕度解調(diào)的依據(jù)，此處以后兩個(gè)峰為例。利用溫濕度控制箱保持環(huán)境溫度在21℃，以5％為調(diào)節(jié)單位，將相對(duì)濕度從15％逐漸提高至90％，分別記錄每個(gè)濕度下的光譜信息，并進(jìn)行傅里葉變換，得到附圖5所示的兩個(gè)F-P腔的相位變化，通過(guò)對(duì)繪制的相位-溫度曲線進(jìn)行直線擬合，并計(jì)算直線斜率可知四葉草微結(jié)構(gòu)光纖F-P腔相位的濕度靈敏度kRH1≈0,復(fù)合F-P腔相位的濕度靈敏度kRH3＝0.025rad/％RH。利用溫濕度控制箱保持環(huán)境濕度在30％，以5℃為調(diào)節(jié)單位，將溫度從30℃逐漸提高至55℃，分別記錄每個(gè)溫度下的光譜信息，并進(jìn)行傅里葉變換，得到附圖6所示的兩個(gè)F-P腔的相位變化，通過(guò)對(duì)繪制的相位-溫度曲線進(jìn)行直線擬合，并計(jì)算直線斜率可知四葉草微結(jié)構(gòu)光纖F-P腔相位的溫度靈敏度kT1＝0.018rad/℃,復(fù)合F-P腔相位的溫度靈敏度kT3＝0.065rad/℃。最后，將這兩個(gè)F-P腔的四個(gè)溫濕度靈敏度代入(12)式中，通過(guò)相位變化，求解如下矩陣式(13)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境濕度和溫度的同時(shí)解調(diào)：