一种光纤湿度传感器及其制作方法技术

本发明专利技术提供一种光纤湿度传感器及其制作方法，涉及光纤生物传感技术领域，该光纤湿度传感器包括超连续谱光源，单模光纤，多模光纤，蜘蛛牵引丝，光谱仪组成，其中，多模光纤分别与输入单模和输出单模光纤熔接形成了单模‑多模‑单模型光纤结构。宽谱光源发射的光束经过传输光纤进入多模光纤，基模在多模光纤中激发多个高阶模，形成模式干涉。将蜘蛛牵引丝固定单多单结构两端，由于蜘蛛牵引丝在湿度条件下超收缩，导致多模光纤弯曲，多模干涉模式改变，光谱飘移，实现湿度传感。本发明专利技术结合单多单结构和蜘蛛牵引丝制备光纤湿度传感器，具有体积小，重量轻，结构简单，材料环保，灵敏度高，成本低廉的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种光纤湿度传感器及其制作方法
本专利技术涉及一种湿度传感器，尤其涉及一种光纤湿度传感器及其制作方法。
技术介绍
湿度测量和控制在食品加工，农业，卫生服务，新材料开发等许多领域都非常重要。传统的湿度传感器在高灵敏度，快速响应，小型化和远程监控方面面临挑战。因此，光纤湿度传感器由于其有着灵敏度高，响应时间短，紧凑，耐腐蚀以及具有远程监控能力而备受关注。目前的光纤湿度传感器主要结构有光纤光栅结构、光纤干涉仪结构、微纳光纤结构和光纤多模干涉结构。其中，多模干涉结构可以通过光纤单多单结构来实现。单多单结构最早是由斯洛文尼亚科学家DenisDonlagi’c等在1997年正式提出的，当沿着输入单模光纤传播的光场进入多模光纤部分时，多模光纤的本征模被激发成多个模式，并且当光束沿着多模光纤传播时，不同模式之间光的相互作用，形成模式干涉，在多模光纤的末端只有特定的模式才能耦合到输出单模光纤中。将多模光纤作为传感区，当多模光纤弯曲度改变时，光纤中发生干涉的模式将发生变化，导致接收道德干涉光信号发生变化。蜘蛛丝的光学性能与生物相容性、生物再吸收性、柔韧性和抗拉强度相结合，为生物介质和原始生物光子学的新应用铺平了道路。2004年潘志娟等人报导了蜘蛛丝的超收缩特性，当蜘蛛丝周围的环境湿度上升时，蜘蛛丝在轴向会发生超收缩。2017年，KennyHeyTow等人评估了天然蛛丝的波导特性，并演示了一个开创性的概念验证实验，该实验使用原始蛛丝作为光纤来测量湿度，并且讨论了采用丝基光纤化学传感器的可行性。但是却并没有给出湿度传感的准确实例，没有对传感器的特性进行研究。通常的光纤湿度传感器一般采用微处理技术来加工光纤表面，使用化学湿度敏感材料涂覆。常用的湿敏材料有氧化石墨烯、聚乙烯醇和甲基纤维素等，这些湿敏材料大多来自化工材料和聚合物，成本昂贵，制备繁琐且对环境有一定的危害。如申请号为201910600629.2的中国专利《基于石墨烯和侧抛单多单光纤湿度传感器及其制备方法》公开了基于石墨烯和侧抛单多单光纤的湿度传感器及制备方法。该湿度传感器利用了单模-多模-单模光纤结构：多模光纤的一个侧面的全部包层和部分纤芯被抛磨掉得到一个侧抛平面，侧抛平面覆盖有单层石墨烯薄膜；光源发出的光通过输入单模光纤进入到侧抛多模光纤部分，当外界环境的湿度发生变化时，基于多模干涉效应和倏逝场效应，侧抛多模光纤内的传输光场会发生相应的变化。虽然该专利有较高的兼容性和重复性，但是所用的工艺较为复杂并且使用了化工材料。蜘蛛牵引丝相比于其他材料，其对环境无毒，具有很好的化学稳定性与生物相容性，是一种天然的生物材料。本专利技术利用蜘蛛牵引丝构建湿度传感器，加工工艺简单，不需要进行光纤侧抛和涂覆湿敏材料。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了提供一种光纤湿度传感器及其制作方法，是一种灵敏度高、响应速度快且工艺简便、材料环保的结合蜘蛛牵引丝的光纤湿度传感器。本专利技术的目的是这样实现的：一种光纤湿度传感器，包括宽谱光源1、输入单模光纤2-1、输出单模光纤2-2、多模光纤3、蜘蛛牵引丝束4、光谱仪5，多模光纤3的两端分别通过输入单模光纤2-1和输出单模光纤2-2与宽谱光源1和光谱仪5连接；蜘蛛牵引丝束4的两端分别固定在输入单模光纤2-1和输出单模光纤2-2上，输入单模光纤2-1、多模光纤3、输出单模光纤2-2构成单多单结构。本专利技术还包括这样一些结构特征：1.所述蜘蛛牵引丝束4距离多模光纤35-15cm处。2.单多单结构的曲率半径为2-5cm。3.多模光纤3长度为2-5mm。4.一种光纤湿度传感器的制作方法，步骤如下：步骤(1)：光纤的连接：取一段单模光纤和一段多模光纤，剥除光纤两端的涂覆层，使用无纺布蘸取酒精擦拭光纤外包层，并用光纤切割刀将端面切割平整，利用光纤焊接机将其焊接为单多单结构；步骤(2)：蜘蛛牵引丝的准备：取外观形态良好的蜘蛛牵引丝，直径稳定，表面光滑，形状完好；步骤(3)：蜘蛛牵引丝的固定：将多根蜘蛛牵引丝集束在一起，将单多单结构部分进行预弯折，将是蜘蛛牵引丝束附着在单多单结构的两端，使用紫外固化胶将蜘蛛牵引丝束固定，并对整个传感器进行封装；步骤(4)：系统搭建：使用光纤焊接机，将单多单结构与宽谱光源进行焊接，单多单结构的另一端连接光谱分析仪；步骤(5)：传感实验：宽谱光源通光后，在光谱分析仪上检测到单多单结构中多模干涉形成的干涉光谱，湿度变化时，蜘蛛牵引丝吸收水分之后超收缩，长度发生变化，单多单结构弯曲程度改变，干涉模式发生变化，光谱分析仪上的光谱同时变化，根据光谱的漂移计算出湿度的变化。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1.本专利技术利用的传感材料为蜘蛛牵引丝，具有水亲和力强，易于修饰，化学稳定性与生物相容性好的特点，有异于传统的化工材料传感器。2.利用单多单光纤结构制备湿度传感器，达到了7.82nm/％RH的灵敏度，在湿度范围为65％-95％RH的区间里线性相关系数达到95％，此外还具有响应速度快，体积小，远程监控的特点。附图说明图1为本专利技术实施例基于蜘蛛牵引丝的光纤湿度传感器示意图；图2为本专利技术实施例蜘蛛牵引丝湿度环境下超收缩前后光纤干涉场变化示意图；图3为本专利技术实施例基于蜘蛛牵引丝的光纤湿度传感器对于相对湿度的响应图；图4为本专利技术实施例基于蜘蛛牵引丝的光纤湿度传感器波长随湿度的响应图。图中的附图标记为：宽谱光源1，输入单模光纤2-1，输出单模光纤2-2，多模光纤3，蜘蛛牵引丝束4，光谱仪5具体实施方式下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。实施例一：结合图1至图4，本专利技术包括：包括宽谱光源1，输入单模光纤2-1，输出单模光纤2-2，多模光纤3，蜘蛛牵引丝束4，光谱仪5；宽谱光源1、光谱仪5在两端，分别通过输入单模光纤2-1、输出单模光纤2-2连接输入端和输出端；多模光纤3在输入单模光纤2-1、输出单模光纤2-2中间，蜘蛛牵引丝束4附着在输入单模光纤2-1、输出单模光纤2-2上。所述的蜘蛛牵引丝束固定在单多单结构两端距离多模光纤5-15cm处。所述的单多单结构的曲率半径为2-5cm。所述的光纤单多单结构中的多模光纤长度为2-5mm。实施例二：本专利技术实施例提供一种基于蜘蛛牵引丝的光纤湿度传感器的制备方法，包括：步骤(1)：光纤的连接：取一段单模光纤和一段多模光纤，剥除光纤两端的涂覆层，使用无纺布蘸取酒精擦拭光纤外包层，并用光纤切割刀将端面切割平整，利用光纤焊接机将其焊接为单多单结构；步骤(2)：蜘蛛牵引丝的准备：取外观形态良好的蜘蛛牵引丝，直径稳定，表面光滑，形状完好；步骤(3)：蜘蛛牵引丝的固定：首先将多根蜘蛛牵引丝集束在一起，将单多单结构部分进行预弯折，将是蜘蛛牵引丝束附着在单多单结构的两端，使用紫外固化胶将蜘蛛牵引丝束固定，并对整个传感器进行封装；步骤(4)：系统搭建：使用光纤焊本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光纤湿度传感器，其特征在于：包括宽谱光源(1)、输入单模光纤(2-1)、输出单模光纤(2-2)、多模光纤(3)、蜘蛛牵引丝束(4)、光谱仪(5)，多模光纤(3)的两端分别通过输入单模光纤(2-1)和输出单模光纤(2-2)与宽谱光源(1)和光谱仪(5)连接；蜘蛛牵引丝束(4)的两端分别固定在输入单模光纤(2-1)和输出单模光纤(2-2)上，输入单模光纤(2-1)、多模光纤(3)、输出单模光纤(2-2)构成单多单结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种光纤湿度传感器，其特征在于：包括宽谱光源(1)、输入单模光纤(2-1)、输出单模光纤(2-2)、多模光纤(3)、蜘蛛牵引丝束(4)、光谱仪(5)，多模光纤(3)的两端分别通过输入单模光纤(2-1)和输出单模光纤(2-2)与宽谱光源(1)和光谱仪(5)连接；蜘蛛牵引丝束(4)的两端分别固定在输入单模光纤(2-1)和输出单模光纤(2-2)上，输入单模光纤(2-1)、多模光纤(3)、输出单模光纤(2-2)构成单多单结构。


2.根据权利要求1所述的一种光纤湿度传感器，其特征在于：所述蜘蛛牵引丝束(4)距离多模光纤(3)5-15cm处。


3.根据权利要求1或2所述的一种光纤湿度传感器，其特征在于：单多单结构的曲率半径为2-5cm。


4.根据权利要求1或2所述的一种光纤湿度传感器，其特征在于：多模光纤(3)长度为2-5mm。


5.根据权利要求3所述的一种光纤湿度传感器，其特征在于：多模光纤(3)长度为2-5mm。
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【专利技术属性】
技术研发人员：张羽，冀旭浩，张亚勋，刘志海，杨军，苑立波，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23