[发明专利]一种基于多模纤芯和光纤光栅的湿度传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光纤光栅传感器技术领域，具体涉及一种基于多模纤芯和光纤光栅的湿度传感器,能够同时测定湿度和温度。

背景技术

目前，基于光纤传感原理的湿度传感器所具有的不受电磁干扰、耐腐蚀、稳定性好、灵敏度高、便于组网和传感集成化等特点，在湿度传感器的研究开发中，已引起人们的广泛关注。目前已研制开发出了光纤光栅型、干涉型、光强调制型光纤湿度传感器。光纤光栅(Fiber Bragg Grating)由于其结构紧凑、波长调制、便于组网和复用，是光纤型湿度传感器研究的重点。由于光纤光栅自身对湿度并不敏感，所以基于光纤光栅的湿度传感器大多是在光纤光栅上镀制湿敏膜，如水凝胶、聚酰亚胺、SiO₂纳米薄膜、聚乙烯等。文献1[Bobo Gu, et al，Optical fiber relative humidity sensor based on FBG incorporated thin-core fiber modal interferometer, Optics Express,2011,19(5):4140-4146]在一段单模光纤中嵌入一只细芯光纤上写入的FBG，并涂覆聚乙烯湿敏膜，在20-90%RH湿度范围内测量灵敏度为84.3pm/%RH。文献2 [Nigel A David，et al, Parametric study of a polymer-coated fibre-optic humidity sensor, Measurement Science and Technology,2012,23(3):035103] 在化学腐蚀光纤光栅直径后再涂覆玻璃增强型聚酰亚胺，传感器的灵敏度提高至1.28pm/%RH。但是，这些镀膜式光纤光栅型湿度传感器的制作过程复杂、实用化程度较低，而且湿度灵敏度仍需提高。因此，难以满足实际应用的需求。并且，为了解决温度与湿度的交叉敏感问题，基于光纤光栅的湿度传感器大多采用两根光纤光栅，这在一定程度上会增加制作成本和封装难度，限制了光纤光栅湿度传感器的进一步实用化。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于多模纤芯和光纤光栅的湿度传感器，在同一温度环境下可同时测量温度与湿度、无需镀膜、测量精度高的反射式光纤光栅湿度传感器，具有制作简单、测量精度高、可实现温度与湿度的区分测量的特点。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于多模纤芯和光纤光栅的湿度传感器，包括有一光纤光栅1，在光纤光栅1与单模光纤之间熔接有多模光纤纤芯2。

所述的多模光纤纤芯2的长度为2.5～4.5cm。

一种基于多模纤芯和光纤光栅的湿度传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将一段长为2.5～4.5cm的多模光纤剥除涂覆层，用酒精擦拭干净，放入浓度为45%的氢氟酸中对光纤的包层进行去除；

2）腐蚀7～15分钟后，取出多模纤芯2，用蒸馏水多次反复清洗以去除残留余酸，得到的多模纤芯2直径为80～95um；

3）将多模纤芯2的两端切除平整，利用光纤熔接机把多模纤芯2熔接在光纤光栅1与单模光纤之间，形成单模-多模纤芯-单模光纤结构与光纤光栅的级联。

熔接时多模纤芯与光纤光栅对芯熔接，多模纤芯2与光纤光栅1的距离小于5mm。

本发明的有益效果是：

同时测量温度与湿度的传感器结构，选用在普通商用的光纤光栅前夹入一段多模纤芯，将光纤光栅与单模-多模-单模光纤结构级联。当外界环境的湿度发生变化时，空气的折射率会随之改变，多模光纤的纤芯基模和包层模的折射率会发生变化，而且湿气会渗透进光纤内部，光纤对湿气分子的吸收，也将导致纤芯基模与包层模的折射率发生变化。这些都会使得单模-多模-单模光纤结构的干涉光谱发生漂移。而光纤光栅纤芯基模的有效折射率对湿度不敏感，其中心波长会保持不变，所以单模-多模-单模光纤结构干涉光谱的变化会调制光纤光栅纤芯基模的能量，通过检测纤芯基模的能量，就可以得到环境的湿度信息。当外界环境的温度发生变化时，由于热膨胀效应，光纤的有效折射率和光栅周期发生变化，导致纤芯基模的中心波长变化，通过检测纤芯基模的波长，就可以得到环境的温度信息。本发明的优点是制作简单、测量精度高、可实现温度与湿度的区分测量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1中光纤光栅1的反射光谱图。

图3为图1的反射光谱图。