[实用新型]一种干涉型光纤湿度传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种光纤湿度传感器。

背景技术

随着工农业的发展和科学技术的进步，湿度测量显得越来越重要，航空航天、发电变电、纺织、工业、农业等对湿度的要求都非常严格，对湿度传感器的环境适应性以及测量范围、响应速度、测量精度等主要指标的要求也越来越高。传统的电容式、电阻式等电量湿度传感器，由于测量精度高、响应速度快以及信号易处理和控制等优势，在市场中占据了主导地位，但存在着长期稳定性和互换性差、不能在严重污染和强电磁干扰环境下工作，以及只能单点测量的严重不足。目前应用到的光纤湿度传感器有光纤传光式湿度传感器，光纤传感式湿度传感器，光纤光栅式湿度传感器等。光纤在湿度传感器上的应用大多都设计简单，简化了传感器和系统结构，而且光纤的抗电磁干扰、耐高温特性使其在恶劣的环境中仍能正常工作，满足了再极端环境下的测量要求。但由于光纤直径在微米量级上，制作工艺要求精细，难度大。

发明内容

为了克服目前湿度传感器存在的测量范围小、响应速度慢、灵敏度低等问题，本实用新型提供了一种干涉型光纤湿度传感器，具有结构简单、成本低、灵敏度高和量程大的优点。

本实用新型所采用的技术方案是：取一段普通通讯单模光纤，其包层直径为125微米，纤芯直径为8-10微米，用刻蚀的方法在光纤中部刻一个方槽，刻蚀到光纤的纤芯中。然后在方槽中填充聚合物，这种聚合物的折射率随湿度的变化而变化，可以使用琼酯糖凝胶或聚环氧乙烷(PEO)。利用传感器透射光谱的漂移从而实现对湿度的传感测量。

本实用新型的具体工作原理是：单模光纤在刻蚀方槽时，其深度达到光纤的纤芯，再在方槽中填充对湿度敏感的聚合物，即有一部分光纤纤芯被聚合物所取代。因此，输入单模光纤中原本以芯模存在的光，有部分进入到聚合物中，另一部分光继续沿着单模光纤的纤芯，从而两束光产生了相位差。由于聚合物与外界空气相接触，其有效折射率随着外界的湿度变化而发生变化，因此，在方槽长度内的单模光纤和聚合物可以看成是光纤内共轴的马赫-曾德干涉仪，纤芯和聚合物分别充当干涉仪的参考臂和传感臂。光在聚合物和纤芯中产生的相位差如果为π的奇数倍，则对应干涉仪透射光谱中的波谷，如果相位差为π的偶数倍，则对应干涉仪透射光谱中的波峰。干涉仪透射光谱的波峰或波谷对应波长随着聚合物折射率的变化而发生漂移。将此干涉仪放置在空气中，由于聚合物折射率随湿度变化发生显著变化，因此该干涉仪的透射光谱的波峰或波谷对应波长随着环境湿度的变化而漂移，我们据此可以应用该干涉仪来传感测量湿度。

本实用新型的有益效果是：该干涉型光纤湿度传感器选用价格低廉的普通通讯单模光纤制各，具有结构简单，成本低的优点，且湿度测量的灵敏度高，响应速度快，量程大。

附图说明

图1是干涉型光纤湿度传感器结构示意图。

图2是干涉型光纤湿度传感器测试系统示意图。图中，1方槽单模光纤，2聚合物，3方槽单模光纤纤芯，4方槽单模光纤包层，5干涉型光纤湿度传感器，6宽带光源，7光纤光谱仪，8导光单模光纤。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步地说明：

如附图1所示，所述的干涉型光纤湿度传感器，其制备流程为：

第一步，取一段普通通讯光纤，其包层直径为125微米，在光纤的中间部位用刻蚀的方法刻出一方槽。用飞秒激光器在精确位移控制系统的控制下进行刻蚀，制成一个刻蚀长度为10-40微米，深度为59-63微米的方槽，从而形成一个方槽单模光纤。

第二步，将凝胶状的聚合物放入已制备的方槽单模光纤的方槽中，放入的聚合物具有对外界湿度高灵敏度的特性，可选用琼酯糖凝胶或聚环氧乙烷(PEO)做为聚合物，待其完全凝固并充满于方槽。

至此，便制得干涉型光纤湿度传感器。

在应用时，如附图2，干涉型光纤湿度传感器两端经导光单模光纤分别与宽带光源和光纤光谱仪相连。将干涉型光纤湿度传感器置于可控空气湿度场中，改变湿度，即可获得一系列已知湿度下干涉型光纤湿度传感器的透射光谱中特征峰波长值。应用数学分析，得到特征峰波长值与湿度的对应函数关系，即完成了传感器的定标。将定标过的干涉型光纤湿度传感器置于待测湿度场中，根据测量得到的透射光谱中特征峰波长值和定标函数关系，即可获知待测的湿度。