基于氧化石墨烯薄膜和花生形结构的光纤湿度传感器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于氧化石墨烯薄膜和花生形结构的光纤湿度传感器，由SLED光源，偏振控制器，光纤花生形结构，保偏光纤，纤芯错位，单模光纤，光纤光谱仪，氧化石墨烯湿敏薄膜，微位移平台，恒温湿度箱组成。光纤花生形结构，保偏光纤和纤芯错位依次连接，构成了内嵌式马赫‑曾德光纤干涉仪。氧化石墨烯湿敏薄膜吸附或释出水分子，光纤表面有效折射率发生变化，输出光谱中快慢轴光干涉峰的强度发生漂移，因此，通过监测快慢轴光干涉峰的强度，再根据最初标定的强度计算漂移量，就可以测得当前的相对湿度。该发明专利技术具有结构紧凑、灵敏度高、对电磁干扰免疫、耐杂质气体干扰等优点，能适用于实际生产生活的环境湿度检测。

Optical fiber humidity sensor based on graphene oxide film and peanut shaped structure

The utility model discloses a fiber optic humidity sensor graphene oxide film and peanut shaped structure based on the SLED light source, optical fiber polarization controller, peanut shaped structure, polarization maintaining fiber, fiber core dislocation, single-mode fiber, fiber optic spectrometer, the graphene oxide humidity sensitive thin film, micro displacement platform is composed of constant temperature and humidity box. Peanut shaped fiber structure, polarization maintaining fiber and fiber core malposition connection, constitute the embedded Maher Ceng De interferometer. Graphene oxide humidity sensitive thin film absorption or release of water molecules, the effective refractive index of fiber surface changes, intensity of light interference peak speed axis drift, output spectrum therefore, by monitoring the speed of light interference axis peak intensity, then calculate the drift amount according to the initial calibration of intensity, relative humidity can be measured current. The invention has the advantages of compact structure, high sensitivity, immunity to electromagnetic interference and interference of impurities, etc., and can be applied to the detection of environmental humidity in actual production and life.

【技术实现步骤摘要】

本技术属于光纤湿度传感
，具体涉及一种基于氧化石墨烯薄膜和花生形结构的光纤湿度传感器。
技术介绍
目前，湿度监测手段以机械式湿度计和电化学式湿度计为主，已经在诸多生产领域中占据了主导地位。然而，在高温高压、信号长距离传输、电磁信号复杂的诸如核工业，电力传输等特殊场合，传统的湿度传感器容易失效，甚至暴露出安全隐患。光纤湿度传感摆脱了传统机械/电学湿度传感的框架，创新地以光纤为载体，通过光信号来检测湿度，因而具有灵敏度高，体积小巧，对电磁干扰免疫，耐化学腐蚀，便于分布式监测等特点，为解决特殊环境下的湿度传感提供了可行的途径。早期的电介质，半导体等湿度敏感材料存在测量范围较小，迟滞严重，容易老化的现象。随后出现的高分子材料虽然吸湿能力提高，但不适用于高湿度环境。目前，光纤湿度传感主要使用聚乙烯醇(PVA)，琼脂糖，Nafion-结晶紫，聚酰亚胺(PI)等湿度敏感材料。随着纳米技术的不断进步，以石墨烯为代表的一批新型纳米材料优异的湿度敏感特性逐渐被发现。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本技术的目的在于提供一种基于氧化石墨烯薄膜和花生形结构的光纤湿度传感器，在光纤上制备出一个结构新颖的内嵌式马赫-曾德光纤干涉仪，并在其表面均匀镀上氧化石墨烯(Grapheneoxide，GO)薄膜。该薄膜吸湿程度的不同能引起有效折射率发生改变，利用保偏光纤较强的双折射和相干信噪比，极大地提高该新型湿度传感器的灵敏度和分辨率。本技术通过以下技术方案实现：基于氧化石墨烯薄膜和花生形结构的光纤湿度传感器，其特征在于：由SLED光源(1)，偏振控制器(2)，光纤花生形结构(3)，保偏光纤(4)，纤芯错位(5)，单模光纤(6)，光纤光谱仪(7)，氧化石墨烯湿敏薄膜(8)，微位移平台(9)，恒温湿度箱(10)组成；SLED光源(1)通过偏振控制器(2)与光纤花生形结构(3)左端相连；光纤花生形结构(3)，保偏光纤(4)和纤芯错位(5)依次连接，构成了内嵌式马赫-曾德光纤干涉仪；纤芯错位(5)右端与单模光纤(6)左端相连，单模光纤(6)右端接入光纤光谱仪(7)；其中，保偏光纤(4)表面均匀镀上氧化石墨烯湿敏薄膜(8)构成传感探头，光纤花生形结构(3)，保偏光纤(4)，纤芯错位(5)，单模光纤(6)由微位移平台(9)固定在恒温湿度箱(10)底部。所述的光纤花生形结构(3)由单模光纤和保偏光纤制作而成，腰椎放大区的直径为160μm～180μm，纤芯之间的距离为120μm～150μm。所述的保偏光纤(4)长度为8mm～15mm，优选型号是YOFC1017-C熊猫型保偏光纤。所述的保偏光纤(4)和单模光纤(6)手动熔接构成纤芯错位(5)，径向错位距离为4.5μm～5.5μm，错位形式是单模光纤(6)的纤芯沿着保偏光纤(4)快慢轴之间错位。所述的氧化石墨烯湿敏薄膜(8)的膜厚为1μm～3μm，所用氧化石墨烯的片径大于500nm。本技术的工作原理是：SLED光源(1)发射的宽带光通过偏振控制器(2)调整偏振状态后进入光纤花生形结构(3)。传输光经过左侧的单模光纤腰椎放大区时，一部分光由于不满足全反射条件耦合进入包层中形成包层模，一部分光继续在纤芯中以纤芯模的形式传输。光纤花生形结构(3)中两种光纤的包层相互融合，包层模直接沿着包层传输，纤芯模则进入保偏光纤(4)纤芯转化为s光和f光的形式。纤芯错位(5)能够将保偏光纤(4)中的部分包层模重新耦合进单模光纤(6)的纤芯中，从而与纤芯模之间形成马赫-曾德干涉。在环境湿度变化过程中，包层模和纤芯模之间的相位差取决于光纤表面的有效折射率，表示为：式中，表示纤芯折射率与第m阶包层模有效折射率的差异，λ为光波长，L为传感臂的长度。马赫-曾德干涉仪中干涉条纹的强度表示为：式中，Icladding和Icore分别表示纤芯模和包层模的光强度。当氧化石墨烯湿敏薄膜(8)吸附和释出水分子引起薄膜有效折射率发生变化，改变包层模和纤芯模之间的相位差，环境相对湿度变化就记录在输出的干涉光谱中。由于引入了保偏光纤(4)，该马赫-曾德干涉仪的输出光谱对入射光的偏振态敏感。调节偏振控制器(2)至合适的位置，快慢轴光干涉峰的强度明显强于一般的干涉峰，快轴光和慢轴光对应的峰值波长分别表示为：式中，和和分别表示快轴光/慢轴光的纤芯模/包层模的有效折射率。氧化石墨烯湿敏薄膜(8)吸附或释出水分子，引起光纤表面有效折射率发生变化，快慢轴光干涉峰的强度漂移最为显著，因此，通过监测快慢轴光干涉峰的光强，再根据最初标定的强度计算漂移量，就可以测得当前的相对湿度。本技术的有益效果是：(1)氧化石墨烯的亲水性极强，易于在光纤表面成膜，而且比表面积大，特别适合微小表面积下吸附水分子的情形，还具备不受酸碱性气体干扰，热噪声较小等优势；(2)制作光纤花生形结构只需要普通商业熔接机和两个熔接步骤，就能获得高耦合效率、较低的熔接损耗，以此构建出结构新颖的马赫-曾德光纤干涉仪；因此，本技术具有结构紧凑、灵敏度高、对电磁干扰免疫、耐杂质气体干扰等优点，能适用于实际生产生活的环境湿度检测中。附图说明图1是基于氧化石墨烯薄膜和花生形结构的光纤湿度传感器的系统结构图。图2是基于氧化石墨烯薄膜和花生形结构的光纤湿度传感器中马赫-曾德光纤干涉仪的结构示意图。图3是基于氧化石墨烯薄膜和花生形结构的光纤湿度传感器处于不同湿度环境下慢轴光干涉峰的光强变化图。图4是基于氧化石墨烯薄膜和花生形结构的光纤湿度传感器中慢轴光干涉峰光强变化的拟合曲线图。具体实施方式下面结合附图与具体实施方式对本技术作进一步详细描述。参见附图1，基于氧化石墨烯薄膜和花生形结构的光纤湿度传感器由SLED光源(1)，偏振控制器(2)，光纤花生形结构(3)，保偏光纤(4)，纤芯错位(5)，单模光纤(6)，光纤光谱仪(7)，氧化石墨烯湿敏薄膜(8)，微位移平台(9)，恒温湿度箱(10)组成；SLED光源(1)通过偏振控制器(2)与光纤花生形结构(3)左端相连；光纤花生形结构(3)，保偏光纤(4)和纤芯错位(5)依次连接，构成了内嵌式马赫-曾德光纤干涉仪；纤芯错位(5)右端与单模光纤(6)左端相连，单模光纤(6)右端接入光纤光谱仪(7)；其中，保偏光纤(4)表面均匀镀上氧化石墨烯湿敏薄膜(8)构成传感探头，光纤花生形结构(3)，保偏光纤(4)，纤芯错位(5)，单模光纤(6)由微位移平台(9)固定在恒温湿度箱(10)底部。参见附图2，光纤花生形结构(3)由单模光纤和保偏光纤制作而成，腰椎放大区的直径为160μm～180μm，纤芯之间的距离为120μm～150μm；保偏光纤(4)长度为8mm～15mm，优选型号是YOFC1017-C熊猫型保偏光纤；保偏光纤(4)和单模光纤(6)手动熔接构成纤芯错位(5)，径向错位距离为4.5μm～5.5μm，错位形式是单模光纤(6)的纤芯沿着保偏光纤(4)快慢轴之间错位；氧化石墨烯湿敏薄膜(8)的膜厚为1μm～3μm，所用氧化石墨烯的片径大于500nm。光纤花生形结构(3)利用单模光纤和保偏光纤制作而成，采用的光纤熔接机型号为Fujikura60s。首先，将单模光纤剥去2cm～3cm的涂覆层，用切割刀切平端面后手动控制熔接机进行腰椎放大操作本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于氧化石墨烯薄膜和花生形结构的光纤湿度传感器，其特征在于：由SLED光源(1)，偏振控制器(2)，光纤花生形结构(3)，保偏光纤(4)，纤芯错位(5)，单模光纤(6)，光纤光谱仪(7)，氧化石墨烯湿敏薄膜(8)，微位移平台(9)，恒温湿度箱(10)组成；SLED光源(1)通过偏振控制器(2)与光纤花生形结构(3)左端相连；光纤花生形结构(3)，保偏光纤(4)和纤芯错位(5)依次连接，构成了内嵌式马赫‑曾德光纤干涉仪；纤芯错位(5)右端与单模光纤(6)左端相连，单模光纤(6)右端接入光纤光谱仪(7)；其中，保偏光纤(4)表面均匀镀上氧化石墨烯湿敏薄膜(8)构成传感探头，光纤花生形结构(3)，保偏光纤(4)，纤芯错位(5)，单模光纤(6)由微位移平台(9)固定在恒温湿度箱(10)底部。

【技术特征摘要】
1.基于氧化石墨烯薄膜和花生形结构的光纤湿度传感器，其特征在于：由SLED光源(1)，偏振控制器(2)，光纤花生形结构(3)，保偏光纤(4)，纤芯错位(5)，单模光纤(6)，光纤光谱仪(7)，氧化石墨烯湿敏薄膜(8)，微位移平台(9)，恒温湿度箱(10)组成；SLED光源(1)通过偏振控制器(2)与光纤花生形结构(3)左端相连；光纤花生形结构(3)，保偏光纤(4)和纤芯错位(5)依次连接，构成了内嵌式马赫-曾德光纤干涉仪；纤芯错位(5)右端与单模光纤(6)左端相连，单模光纤(6)右端接入光纤光谱仪(7)；其中，保偏光纤(4)表面均匀镀上氧化石墨烯湿敏薄膜(8)构成传感探头，光纤花生形结构(3)，保偏光纤(4)，纤芯错位(5)，单模光纤(6)由微位移平台(9)固定在恒温湿度箱...

【专利技术属性】
技术研发人员：包立峰，沈常宇，董新永，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：新型
国别省市：浙江;33