氧化石墨烯镀层光纤的制备方法、湿度传感器及其应用技术

本发明专利技术涉及光纤技术领域，具体涉及氧化石墨烯镀层光纤的制备方法、湿度传感器及其应用。本发明专利技术的基于氧化石墨烯镀层光纤的湿度传感器，包括：宽带光源、光纤传感头、氧化石墨烯、光谱仪；所述光纤传感头的第一输入端口与宽带光源通过光纤连接，第一输出端口与光谱仪通过光纤连接；所述光纤传感头由三段光纤组成，三段光纤相错位形成马赫‑曾德干涉仪结构，其中第二段光纤位于中间；所述光纤传感头的第二段光纤表面上镀有一层氧化石墨烯镀。本发明专利技术的传感器具备结构简单、成本低、操作方便、测量范围较大、测量精度高、分辨率高以及应用范围广的优点。

【技术实现步骤摘要】
氧化石墨烯镀层光纤的制备方法、湿度传感器及其应用
本专利技术涉及湿度传感器
，尤其涉及一种氧化石墨烯镀层光纤的制备方法、基于该氧化石墨烯镀层光纤的湿度传感器及采用该湿度传感器测量湿度的方法。
技术介绍
湿度作为一个重要的物理量，与人类生活和国民生产息息相关。一方面，环境湿度对人类的健康影响很大。另一方面，在工农业生产、气象、环保、生命、航天、国防等领域，也需要对环境湿度进行检测及控制。正是基于如此广泛的需求，湿度测量方法得以不断的拓展和壮大。常规测量湿度的方法有伸缩法、干湿球法、冷凝露点法、氯化锂露点法、电阻电容法、电解法以及重量法。但是这些常规的测量方法装置都较为复杂，而且灵敏度有限，在较为恶劣的环境下也难以实现湿度的测量。在测量技术日益精密的科学研究中，这种偏差往往会对研究结果造成较大的影响。目前利用光纤来测量湿度可以很好的规避这些问题，例如可以用Mach-Zehnder光纤干涉仪、Michelson光纤干涉仪、Fabry-Perot干涉传感器和光纤Sagnac干涉传感器来对湿度进行测量。然而，现有测量湿度的光纤仪器存在检测灵敏度较低的问题。
技术实现思路
有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种氧化石墨烯镀层光纤的制备方法、湿度传感器及其应用。为实现上述目的，本专利技术采取以下的技术方案：本专利技术的基于氧化石墨烯镀层光纤的湿度传感器，包括：宽带光源、光纤传感头、氧化石墨烯、光谱仪；所述光纤传感头的第一输入端口与宽带光源通过光纤连接，第一输出端口与光谱仪通过光纤连接；光纤传感头内部的马赫-曾德干涉仪中的两束光传输时发生干涉，然后传输到光谱仪；所述光纤传感头由三段光纤组成，三段光纤相错位形成马赫-曾德干涉仪结构，其中第二段光纤位于中间，第一段光纤和第三段光纤位于第二段光纤两端；所述光纤传感头的第二段光纤的表面上镀有一层氧化石墨烯。进一步的，所述光纤湿度传感器还包括计算机，所述计算机与光谱仪输出端通信连接。所述计算机用于接收光谱仪的输出数据并计算折射率和温度。进一步的，所述光纤传感头内部的马赫-曾德干涉仪结构为光纤尾纤。进一步的，所述第一段光纤和第三段光纤的中心轴相重合。进一步的，从成本经济上考虑，三段所述光纤均为普通光纤，光纤尾纤为普通光纤的尾纤。并且可以选择该普通光纤为单模光纤。进一步的，所述的宽带光源为C波段1520nm-1570nm的光纤宽带光源，各部件连接间的传输光纤均为普通单模光纤。本专利技术的光纤传感头的第二段光纤的表面上的氧化石墨烯镀层采用以下方法进行镀膜：步骤1，在室温下依次使用0.5-2mol/L丙酮、0.5-2mol/L盐酸分别清洗光纤表面5-15分钟；步骤2，用去离子水再清洗一遍后烘干；步骤3，再把第二段光纤于3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)水溶液浸泡1-3小时；步骤4，用乙醇清洗光纤，清洗之后放在温度为50-55℃的环境下进行烘干；步骤5，把经过步骤4处理的第二段光纤浸入0.01-0.1mg/mL)的氧化石墨烯水溶液中，温度控制在50-55℃；当能观察到氧化石墨烯成功的镀在第二段光纤之后，把第二段光纤移出；在室温下使其自然烘干后，完成了整个的镀膜过程。进一步的，将经步骤2处理的第二段光纤浸入0.8-1.5mol/L的NaOH溶液中0.5-2小时。优选的，所述3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)在水中的浓度为5％。进一步的，所述光纤传感头的第二段光纤的表面上的氧化石墨烯镀层采用浓度为0.06mg/mL的氧化石墨烯水溶液进行镀膜。本专利技术的基于马赫-曾德干涉仪和氧化石墨烯镀膜的光纤湿度传感器，计算机根据干涉条纹的谷值波长随待测空间环境湿度变化而变化的规律，计算出待测空间环境的湿度。利用上述基于氧化石墨烯镀层光纤的湿度传感器测量湿度的方法，具体为：将光纤传感头放入待测空间环境中，于光纤内部传输的两光束进行干涉，干涉条纹波谷的波长随光纤传感头所处的待测空间环境湿度的变化而变化，通过光谱仪和计算机测得干涉条纹谷值波长的移动范围，再经计算机计算得到待测空间环境的湿度。上述的测量方法中，当待测环境空间的湿度发生变化时，通过光谱仪探测干涉条纹谷值波长的移动范围，经过计算机进行计算后，即得到待测空间环境的湿度。当纤芯模和被激发的i阶包层模的相位差时，波谷波长为：其中，λmin,k表示i阶包层模和纤芯模干涉产生的干涉输出谱的波谷波长。和分别表示纤芯的有效折射率和被激发的i阶包层模的有效折射率。本专利技术的有益效果为：本专利技术的传感器具备结构简单、成本低、操作方便、测量范围较大、测量精度高、分辨率高以及应用范围广的优点。本专利技术的传感器除了用于一般性的环境空间的湿度测量以外，还可用于微小变化、危险环境下的环境空间的湿度测量。本专利技术还可以对湿度进行实时测量。附图说明图1是基于氧化石墨烯镀层光纤的湿度传感器结构示意图；图2是测量光纤传感头结构以及与待测溶液物质交界面处的示意图；图3是光纤传感器在湿度为RH＝30％的空间环境下的传输谱；图4是马赫-曾德干涉仪在空间环境湿度分别为30％，40％，50％，60％时的传输谱；图5是在空间环境湿度从30％变化到60％时，传感器干涉条纹谷值波长为1545.7nm时的移动拟合规律。附图标记：1、宽带光源；2、光纤传感头；202、第一段光纤；203、第三段光纤；204、第二段光纤；3、氧化石墨烯；4、光谱仪；5、计算机；6、包层；7、待测空间环境。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例参见图1，基于马赫-曾德干涉仪和氧化石墨烯的光纤湿度传感器包括宽带光源1，光纤传感头2，氧化石墨烯3，光谱仪4。其中，宽带光源1连接到光纤传感头2的第一输入端口，光纤传感头2的第一输出端口连接光谱仪4。作为优选的，可以设置计算机5作为数据处理器，所述计算机5和光谱仪4通信连接，进行数据处理。图2是测量光纤传感头结构以及与待测溶液物质交界面处的示意图。所述光纤传感头2由三段错位的光纤形成马赫-曾德干涉仪结构。优选地，位于第二段普通光纤204两端的第一段普通光纤202和第三段普通光纤203的中心轴重合，第二段普通光纤204表面镀上一层氧化石墨烯3。其中待测空间环境7内部充满了具有一定湿度的空气。本专利技术中，所述的宽带光源1为C波段(1520nm～1570nm)的宽带光源1。传输光纤为单模光纤。进行测量时，光纤传感头2放入待测空间环境7中，将其检测到的相应数据输入到计算机5，通过计算获得干涉条纹谷值波长的移动范围，根据拟合曲线获得被测空间环境的湿度。干涉条纹谷值波长随测量光纤传感头所处的待测空间环境湿度的变化而变化的原理如下：由于光纤错位，构成马赫-曾德干涉仪，使得单模光纤中传输的光束分成两束光传播，一束在纤芯中，一束在包层6中。两束光传输的路径不同，彼此之间会产生累积的相位差2πΔnL1/λ，其中Δn是纤芯和包层6之间传输的光束的折射率差，L1是光纤错位的长度，λ是输入的波长。当光纤传感器所测的待测空间环境的湿度变化时，会使本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于氧化石墨烯镀层光纤的制备方法，其特征在于，采用以下方式进行镀膜：步骤1，在室温下依次使用0.5‑2mol/L丙酮、0.5‑2mol/L盐酸分别清洗光纤表面5‑15分钟；步骤2，用去离子水再清洗一遍后烘干；步骤3，再把第二段光纤于3‑氨丙基三乙氧基硅烷水溶液浸泡1‑3小时；步骤4，用乙醇清洗光纤，清洗之后放在温度为50‑55℃的环境下进行烘干；步骤5，把经过步骤4处理的第二段光纤浸入0.01‑0.1mg/mL的氧化石墨烯水溶液中，温度控制在50‑55℃；当能观察到氧化石墨烯成功的镀在第二段光纤之后，把第二段光纤移出；在室温下使其自然烘干后，完成了整个的镀膜过程。

【技术特征摘要】
1.一种基于氧化石墨烯镀层光纤的制备方法，其特征在于，采用以下方式进行镀膜：步骤1，在室温下依次使用0.5-2mol/L丙酮、0.5-2mol/L盐酸分别清洗光纤表面5-15分钟；步骤2，用去离子水再清洗一遍后烘干；步骤3，再把第二段光纤于3-氨丙基三乙氧基硅烷水溶液浸泡1-3小时；步骤4，用乙醇清洗光纤，清洗之后放在温度为50-55℃的环境下进行烘干；步骤5，把经过步骤4处理的第二段光纤浸入0.01-0.1mg/mL的氧化石墨烯水溶液中，温度控制在50-55℃；当能观察到氧化石墨烯成功的镀在第二段光纤之后，把第二段光纤移出；在室温下使其自然烘干后，完成了整个的镀膜过程。2.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯镀层光纤的制备方法，其特征在于，将经步骤2处理的第二段光纤浸入0.8-1.5mol/L的NaOH溶液中0.5-2小时。3.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯镀层光纤的制备方法，其特征在于，所述3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)在水中的浓度为5％。4.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯镀层光纤的制备方法，其特征在于，所述光纤传感头的第二段光纤的表面上的氧化石墨烯镀层采用浓度为0.06mg/mL的氧化石墨烯水溶液进行镀膜。5.一种基于氧化石墨烯镀层光纤的湿度传感器，其特征在于，包括：宽带光源、光纤传感头、氧化石墨烯、光谱仪；所述光纤传感头的第一输入端口与宽带光源通过光纤连接，第...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒙红云，刘帅，邓淑营，谭春华，黄旭光，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东,44