[发明专利]一种基于PVA湿敏材料的细芯迈克尔逊干涉仪的折射率传感器

说明书

技术领域

本发明提供一种基于聚乙烯醇(PVA，polyvinyl alcohol)湿敏材料的细芯(TCF，thin core fiber)迈克尔逊干涉仪(MI，the michelson interferometer)的折射率传感器，属于光纤传感技术领域。

背景技术

光纤折射率传感器作为光纤传感器的一种已经吸引了广泛的注意，由于它具有结构微小，灵敏度高，容易制造等优势。近些年来，光纤折射率传感器基于SPR(Surface Plasmon Resonance)，包层腐蚀，细锥结构，光纤光栅等已经被提出，在这些不同的结构类型中基于细芯光纤的传感器占了一部分，例如在细芯光纤上刻蚀腐蚀细芯光纤等。尽管这些方法都一定程度的提高了折射率的灵敏度，但是仍然存在一些方面的缺陷。例如基于光纤光栅的结构存在温度交叉灵敏度温度，基于错位的结构柔韧性很差，还有一些需要化学腐蚀的处理过程，都增加了制作过程中的困难。为解决以上问题一类新型的高折射率传感器被提出，这种传感器具有成本低、容易制作，对温度不敏感，既可以进行波长解调又可以进行强度解调等优点。

一种基于模式激发细芯光纤的高折射率传感器可以实现纤芯模与包层模的模式干涉，并且该传感器不存在二级的干涉谱，不需要电脑进行数据的过滤。当使用该传感器对外界环境折射率进行测量时，每当改变外界折射率时都会使干涉条纹发生漂移，反射谱的波长和强度也会相应发生改变，通过对反射谱的波长或强度进行解调，可以实现折射率的测量，外界温度从25℃增加到90℃，反射谱的波长和强度没有明显变化，因此该传感器是温度不敏感的折射率传感器。

为了获得较大的测量范围，提高随着外界折射率改变干涉波谱的强度，近几年来，许多基于PVA湿敏材料的湿度传感器已经被提出。2011年Zhao等人提出一种基于单模+多模+单模结构，涂敷了PVA，湿度灵敏度在50％RH-89％RH(refractory hypertension)范围内灵敏度为0.16nm/％RH；2012Liang等人提出一种基于腐蚀的高双折射率环镜结构，该结构涂敷了PVA湿敏材料，在湿度范围为20％RH-80％RH范围内灵敏度达到了0.98nm/％RH，响应时间小于6s；2012年Weichang Wong等人提出一种基于PCF(photonic crystal fib)端面高级次包层模激发的迈克尔逊结构，该结是在端面镀上了PVA，在高湿度区域灵敏度可以达到0.6nm/％RH；2012年Alwis等人提出一种基于LPG(long-period fiber gratings)的迈克尔逊结构，经过涂敷PVA，湿度范围为40％RH-85％RH，灵敏度为0.6nm/％RH；2015年Jingyi Yang等人将PVA涂敷在TFBG(tilted fiber bragg grating)的表面，湿度在20％RH-86％RH范围内，灵敏度为～1.80μW/％RH。从这些研究结果可以看出PVA湿敏膜是很好的折射率-外界湿度的转换器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于PVA湿敏材料的细芯迈克尔逊干涉仪的折射率传感器装置，通过光纤表面涂敷PVA作为外界环境与折射率的转换器，将所要测量的湿度转化为对折射率的测量，通过折射率的变化量再转化为探测信号的波长漂移量。具有结构简单、成本低、灵敏度较高等特点。

本发明通过以下方案实现：

一个基于迈克尔逊干涉仪的细芯光纤的高灵敏度的折射率传感器由普通光纤(SMF，single mode fiber)(1)、一段细芯光纤(2)、微弧区域(3)和PVA薄膜(4)组成。图1是该迈克尔逊干涉仪的结构示意图(最外层为PVA薄膜)，其中单模光纤(1)、细芯光纤(2)均可采用G.652单模光纤，细芯光纤(2)的纤芯和包层直径分别为4.00μm和124.50μm，细芯光纤(2)的长度L约为3.00mm，微弧区域(3)的长度l为45.08μm。接下来是涂敷PVA工作，光纤结构固定在浸涂镀膜机上将去除光学表面的残留有机物并干燥后的光纤端面侵入PVA溶液，使光纤端面形成均匀的湿敏膜。最后，得到一种基于PVA湿敏材料的细芯迈克尔逊干涉仪的折射率传感器结构。