一种基于粗锥的光纤湿度传感器及其工作原理和制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于粗锥的光纤湿度传感器及其工作原理和制备方法，将单模光纤与光子晶体光纤熔接，其中熔点处熔成粗锥，以粗锥和光子晶体光纤构成在线型迈克逊光纤干涉仪。光子晶体光纤的空气孔全部暴露在环境中，更利于引起光纤对湿气的感应。环境湿度的变化会引起光子晶体光纤中高阶模式传播常数的改变，调制模间干涉光谱，利用检测反射的模间干涉光谱就可得到环境湿度的信息。本发明专利技术湿度传感器具有灵敏度高、测量准确、稳定性好、抗电磁干扰等特点。

A fiber optic humidity sensor based on rough cone and its working principle and preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种基于粗锥的光纤湿度传感器及其工作原理和制备方法
本专利技术涉及光纤湿度传感领域，尤其涉及一种基于粗锥的光纤湿度传感器及其工作原理和制备方法。
技术介绍
湿度是用来表征大气干燥程度的物理量，一般用相对湿度(％RH)来表示，它表示大气中水蒸气的气体压力与饱和的水蒸气中气压之比。相对湿度在农业生产、物资储存、环境气象和建筑安全等诸多领域一个很重要的监测物理量。传统的电类湿度传感器由于其可靠性强、结构简单、价格成本较低以及维护率较低等优点占据了主要的市场。但存在稳定性较差、容易受到电磁干扰、耐腐蚀性差等缺点使其无法在相对恶劣的环境中(例如高温高压、化学工业、核电站等)进行湿度监控。近年来，由于光纤湿度传感器具有体小质轻、耐受性好、抗电磁干扰、远距离传输、分布式测量等特点，尤其适用于高温高压、强电磁、易燃易爆和严重污染的环境中湿度的检测，因此被广泛研究。基于不同的结构，人们提出了多种光纤湿度传感器方案，例如SensorsandActuatorsB:Chemical.288,75-78(2019)，IEEESensorsJ,2(3),1-4(2018)以及专利文献1(中国专利公开号CN101936897A)提出了基于光纤干涉仪结构结合湿敏材料的传感器设计方案，利用湿敏材料折射率的变化会引起干涉仪干涉波长的漂移，从而解调出湿度信息。上述光纤湿度传感器虽然有其独特的优势，但它们都需要使用湿敏材料进行湿度增敏。湿敏材料的涂覆技术会增加该类传感器制作工艺的复杂化，同时，由于湿敏材料的性质会随环境温度变化而改变，环境温度的变化也会对该类传感器的湿度测量的准确性带来一定的影响。因此，制作工艺简单化和如何消除环境湿度测量过程中温度的影响是光纤湿度传感器研制进一步亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有光纤湿度传感器存在的制作复杂、灵敏度不高、温湿交叉灵敏等问题，提出了一种简单、有效、灵敏度高的基于粗锥和光子晶体光纤的反射式湿度传感器，具体是一种基于粗锥的光纤湿度传感器及其工作原理和制备方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于粗锥的光纤湿度传感器，包括单模光纤与光子晶体光纤，单模光纤的一端与光子晶体光纤的一端熔接，单模光纤与光子晶体光纤的熔接部位形成有粗锥。优选的，粗锥的直径为160-180μm，长度为350-450μm。优选的，光子晶体光纤的长度为5-25mm。优选的，光子晶体光纤的包层中有126个空气孔，每个空气孔的直径为3μm，相邻两气孔间距为9.3μm，按正六边形排列。优选的，基于粗锥的光纤湿度传感器的光强I为：式中，R是光子晶体光纤端面的反射率；Icore是纤芯基模的光强，是第m阶包层模的光强，为包层模与纤芯基模间的相位差。优选的，包层模与纤芯基模间的相位差为：式中，λ为入射波长，Δneff是包层模与纤芯基模间的有效折射率差，L是光子晶体光纤的长度。所述基于粗锥的光纤湿度传感器的工作原理如下：通过单模光纤和光子晶体光纤熔接部位的粗锥将一部分传输光耦合进光子晶体光纤包层，激发出包层的高阶模，利用光子晶体光纤的纤芯基模与包层内的高阶模的有效折射率不同，高阶模与纤芯基模在光子晶体光纤中传播产生光程差，光程差引起相位差，形成干涉条纹；高阶模与纤芯基模之间的光程差决定了干涉条纹的强度，通过检测干涉条纹的光强变化能够得到相应的湿度变化。所述基于粗锥的光纤湿度传感器的制备方法，包括如下过程：将单模光纤与光子晶体光纤放在熔接机的光纤夹具上，调整光纤夹具使单模光纤的一端与光子晶体光纤的一端对齐；在预设的熔接强度、预熔时间和推进距离下使得单模光纤与光子晶体光纤的连接部位形成粗锥，熔接完成后对光子晶体光纤进行切割，使光子晶体光纤保留预设长度，得到所述基于粗锥的光纤湿度传感器。优选的，熔接强度设置为130-140mA，预熔时间设置为1400-1500ms，推进距离设置为15-20μm。优选的，光子晶体光纤在放置时偏离电极5-10μm。本专利技术具有如下有益效果：本专利技术的基于粗锥的光纤湿度传感器通过将单模光纤的一端与光子晶体光纤的一端熔接，并在熔接部位形成粗锥，单模光纤用于传输输入光和反射光，粗锥(即光纤锥)作为光分束器和耦合器，光子晶体光纤在其轴向排列的空气孔能够感知环境湿度。环境湿度的变化会改变光纤中高阶模式的传播常数，调制模间干涉型光纤迈克尔逊干涉仪的干涉条纹。因此，通过检测传感器输出光谱强度的变化，就可得到环境湿度的变化信息。本专利技术将光子晶体光纤与单模光纤熔接后构成光纤湿度传感器，没有选择其他的湿度增敏技术，其结构、制作工艺简单并保证了传感器的稳定性。本专利技术采用的传感器结构对温度变化不敏感，消除了在湿度测量过程中温度变化带来的影响，解决了温湿交叉灵敏的问题。本专利技术采用粗锥结构作为耦合器，既提高了耦合效率，也保证了传感器的机械强度；而且该专利技术仅采用熔接技术，容易实现和广泛应用。本专利技术为基于反射光谱强度的检测，这种设计使得传感器结构小，能实现探针式测量，在实际应用中更有优势。进一步的，粗锥的直径为160-180μm，长度为350-450μm，粗锥的直径大于普通光纤直径(125μm)，因此可增强传感器的机械强度和耐受性。进一步的，光子晶体光纤长度过长，容易弯曲，会影响参与干涉的模式，而光子晶体光纤过短，这在制作中不易控制，不利于广泛应用，因此光子晶体光纤的长度为5-25mm。本专利技术基于粗锥的光纤湿度传感器的工作原理充分利用了单模光纤、光子晶体光纤和粗锥传输光波的特点，使得湿度与通过光纤传输的光建立联系，达到较好的湿度测量的效果。并且不受湿度增敏技术影响、以及对温度的不敏感性，使得测量结果稳定可靠。本专利技术基于粗锥的光纤湿度传感器的制备方法，利用熔接的技术将单模光纤与光子晶体光纤进行熔接，并在熔接部位形成粗锥，其制备过程简单，得到的湿度传感器具有良好的性能，并且成本较低，具有广阔的应用前景。附图说明图1是本专利技术基于粗锥的光纤湿度传感器的结构示意图；图2是本专利技术实施例中采用的光子晶体光纤端面示意图；图3是电子显微镜下的本专利技术光纤粗锥；图4是本专利技术实施例中采用的传感系统示意图；图5a是不同湿度下本专利技术传感器的干涉光谱；图5b是本专利技术传感器的强度及波长随湿度变化的规律图；图6a是不同温度下本专利技术传感器的干涉光谱；图6b是本专利技术传感器的强度及波长随温度变化的规律图；图中，1-单模光纤，2-光子晶体光纤，3-粗锥，4-湿度传感器，5-光纤解调仪，6-电脑，7-密封箱，8-电子温湿度计。具体实施方式下面结合附图和实施例来对本专利技术做进一步的说明。参照图1和图3，本专利技术基于粗锥的光纤湿度传感器是将单模光纤1与光子晶体光纤2的一端进行粗锥熔接，在单模光纤1与光子晶体光纤2的熔接部位形成粗锥3，所得结构即为本专利技术的光纤湿度传感器。光子晶体光纤的空气孔全部暴露在环境中，更利本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于粗锥的光纤湿度传感器，其特征在于，包括单模光纤(1)与光子晶体光纤(2)，单模光纤(1)的一端与光子晶体光纤(2)的一端熔接，单模光纤(1)与光子晶体光纤(2)的熔接部位形成有粗锥(3)。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于粗锥的光纤湿度传感器，其特征在于，包括单模光纤(1)与光子晶体光纤(2)，单模光纤(1)的一端与光子晶体光纤(2)的一端熔接，单模光纤(1)与光子晶体光纤(2)的熔接部位形成有粗锥(3)。


2.根据权利要求1所述的一种基于粗锥的光纤湿度传感器，其特征在于，粗锥(3)的直径为160-180μm，长度为350-450μm。


3.根据权利要求1所述的一种基于粗锥的光纤湿度传感器，其特征在于，光子晶体光纤(2)的长度为5-25mm。


4.根据权利要求1所述的一种基于粗锥的光纤湿度传感器，其特征在于，光子晶体光纤(2)的包层中有126个空气孔，每个空气孔的直径为3μm，相邻两气孔间距为9.3μm，按正六边形排列。


5.根据权利要求1所述的一种基于粗锥的光纤湿度传感器，其特征在于，基于粗锥的光纤湿度传感器的光强I为：



式中，R是光子晶体光纤端面的反射率；Icore是纤芯基模的光强，是第m阶包层模的光强，为包层模与纤芯基模间的相位差。


6.根据权利要求5所述的一种基于粗锥的光纤湿度传感器，其特征在于，包层模与纤芯基模间的相位差为：



式中，λ为入射波长，Δneff是包层模与纤芯基模间的有效折射率差，L是光子晶体光纤的长度。

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【专利技术属性】
技术研发人员：邵敏，孙浩男，韩亮，梁俊俊，张蓉，冯德全，
申请(专利权)人：西安石油大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61