[发明专利]一种基于无芯光纤的空气相对湿度测量仪

说明书

技术领域

本发明属于空气相对湿度探测技术领域，特别是涉及一种沉积湿度敏感材料的无芯光纤作为传感器件的空气相对湿度测试仪。

背景技术

湿度广义上讲是定义水分含量的物理量。在工业、农业、生物和医学中对湿度进行精确测量、检测和控制具有重要的意义。最早的湿度传感器有干湿球湿度计或毛发湿度计，但精度不高，无法满足现代科技发展的需要。传统的电感式、电阻式湿度传感器易受电磁干扰，不适合工作在强电磁场的恶劣环境中。

近年来，随着光纤传感技术的发展，光纤湿度传感器受到极大关注并被广泛应用。光纤湿度传感器一般都是利用在湿度的环境下媒介层理化性质的变化，进而引起光传播中的频率、相位等的变化检测湿度。随着新型材料的发掘和新型学科的交叉渗透，光纤湿度传感器有更宽广的应用前景。现有的湿度敏感材料有很多种，聚乙烯醇（PVA）就是能够作为很好的湿度敏感性材料的一种，它是一种粉末状的高分子化学材料。溶液浓度5%的聚乙烯醇具有很好的成膜性和粘结性能，能够很好的涂覆在光纤表面。PVA涂层吸收水蒸气后膨胀，且涂层折射率随湿度变化有相应的变化。

无芯光纤是一种不同于普通单模光纤的均匀材质的石英纤维。在使用过程中，无芯光纤本身充当纤芯，外界介质充当包层构成波导，其中光在无芯光纤中的传输模式特性与外界介质的特性直接相关。比如单模-无芯-单模光纤结构，尤其对外界环境的折射率变化非常敏感。该结构能够在外界环境折射率变化做出连续实时的显著反应，并具有较高的分辨率。其无芯光纤用于折射率传感的基本思想是：发生波导中的光在无芯光纤中直接与外界环境相作用，周围折射率的变化使得导模的有效折射率产生相应变化，进而影响该结构的输出特性。

目前已报道的光纤湿度传感器测量存在测量范围小、灵敏度不高、尺寸大、响应时间长、以及工艺复杂的缺点，此外光纤湿度传感器易受外界环境温度、应力、弯曲等条件的影响，在湿度测量过程中极易引入无法预见的干扰，从而大大降低了湿度传感器的实用价值。因此对测量条件要求非常高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种基于无芯光纤的空气相对湿度测量仪，本发明是结合无芯光纤优良的折射率敏感特性和聚乙烯醇的湿度致使折射率可调谐特性，该测量仪具有结构简单、灵敏度高、不受电磁干扰、体积小等优点，具有广阔的应用前景。能够实现对周围环境相对湿度的大小检测。

本发明的技术方案：

一种基于无芯光纤的空气相对湿度测量仪，包括超连续光源、单模光纤、光谱仪、表面沉积PVA薄膜的无芯光纤结构。所述的超连续光源通过单模光纤与表面沉积PVA薄膜的无芯光纤结构连接，表面沉积PVA薄膜的无芯光纤结构的另一端通过单模光纤连接到光谱仪上。

所述的表面沉积PVA薄膜的无芯光纤结构的制作过程是：将无芯光纤的表面用超声波在去离子水中清洗后，在5%浓度的PVA溶液中多次蘸取，形成5μm厚的均匀PVA涂层，然后放入恒温箱中使无芯光纤涂层中水分蒸发；所述的表面沉积PVA薄膜的无芯光纤结构放入被测的湿度环境中。

本发明制作的基于无芯光纤的空气相对湿度测量仪的工作原理：

无芯光纤相对普通单模光纤没有包层，外界介质就充当无芯光纤的包层。当入射光由单模光纤耦合进无芯光纤时，会在无芯光纤中激发起一系列高阶模式。而这些高阶模式在无芯光纤中传播时相互作用，发生干涉现象。并且这些高阶模式对外界介质折射率的变化将非常敏感，即光纤传输特性对外界的折射率非常敏感。在无芯光纤表面生成的一层湿度敏感膜，随着外界环境空气相对湿度的变化，湿度敏感膜的折射率发生相应变化，干涉谱的谐振峰会随着湿度的变化而发生漂移，通过检测到的谐振峰的变化就可获得湿度的相关信息。

本发明的优点和有益效果：

本发明提供的相对湿度测量仪具有制作工艺简单、成本低、灵敏度高、易于普遍应用等优点。

附图说明

图1是本发明中表面有聚乙烯醇涂层的无芯光纤的示意图；

图2是本发明空气相对湿度测量仪的结构示意图；

图中：1.单模光纤的纤芯，2.单模光纤的包层，3.聚乙烯醇涂层，4.无芯光纤，5.超连续光源，6.表面有聚乙烯醇涂层的无芯光纤结构，7.光谱仪，8.单模光纤。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

实施例1