[发明专利]级联微球谐振腔型湿度传感器

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及到一种级联微球谐振腔型湿度传感器。

背景技术

湿度是一个重要的物理量，航空航天、气象学、农业、食品工业、临床医学、制造业、土木工程等许多领域中都需要对湿度进行精确的测量。传统的湿度传感器主要有3类:电解质湿度传感器、半导体陶瓷湿度传感器和有机高分子聚合物湿度传感器。

与传统的湿度传感器相比，光纤湿度传感器凭借其体积小、重量轻、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、制作简单、精度高、易集成和分辨率高等优点，已被广泛用于各场合的湿度测量中。光纤传感技术产生以来，研究者们开发出了多种类型的光纤湿度传感器，其中最常见的可分为两类：光纤传光式和光纤传感式。

光纤传光式湿度传感器，通常是基于湿敏薄膜材料实现湿度探测的，将湿敏薄膜涂覆在光纤结构上，当外界环境的湿度发生变化时会导致光纤中传输的光的某些参量发生变化，比如光强、相位、波长的变化等，近几年，研究者集中研究新的光纤结构，以及尝试各种新的湿敏材料，两者的结合方式也是研究的热点。其中用来制作传感器的湿敏薄膜应消除或尽量减少受到环境中除湿度外别的因素的影响。目前国内外已有很多基于该理念设计的光纤湿度传感器，例如金学良等人的基于Nafion-结晶传感膜和Bedoya M等人基于Ru(Ⅱ)的焚光效应的光纤湿度传感器等。光纤传光式湿度传感器结构简单，制作工艺成熟，是一种科研工作者研究很多的湿度传感器。

光纤传感式湿度传感器的主要部分是光纤材料本身，并可以通过结合其他材料的方式来构成传感探头，从而实现湿度传感。例如将一段光纤拉锥，在锥区涂覆一层湿敏聚合物材料，当光信号在光纤中传输时，锥区附近的温度、湿度、折射率等因素发生变化时，会影响传输光的强度，排除其他干扰因素，即能实现湿度的传感，光纤与湿敏聚合物材料共同构成传感探头。光纤传感式湿度传感器结构紧密，制作简单，易实现微型化便于集成，是目前研究的热点。

上述光纤传光式和光纤传感式湿度传感器，通常是基于外界折射率的改变来实现传感的，除湿度之外，温度和气体浓度的变化同样会导致折射率的改变，从而引入交叉灵敏度。而且，常见的光纤湿度传感器通常结合湿敏聚合物材料来提高湿度探测的灵敏度，聚合物长期暴露在空气中会发生老化，影响传感性能，大大降低了传感器的稳定性与使用寿命。

随着微纳加工技术的发展，光学微腔作为一种重要的光子学器件在基础和应用研究领域受到广泛的关注。作为光学微腔的一种，回音壁模式(Whispering Gallery Mode,WGM)光学微腔具有品质因子高、模体积小、制作方便等特点。在这类微腔中，由于光从高折射率介质到低折射率介质界面上的全反射效应，当光场的闭合路径满足位相相干叠加时则可以形成稳定的驻波场，这样便可以将光限制在一个微米量级的闭合腔中。基于回音壁模式的光纤传感器由于光场被约束在微米量级的区域内振荡，增加了光场与外界物理量之间相互作用的程度或面积，外界环境参量变化引起光信号改变通过光学微腔放大，因此大大提高传感器的探测灵敏度，并且避免了湿敏材料老化所带来问题。能够实现回音壁模式的微腔有微管型、微盘型、微球型、微环型等，几何尺寸一般在几微米到几百微米，并且传感器中微腔与光纤之间的相对位置要求在一个很小的范围内，通常为几微米，所以对传感器的微腔进行有效的封装是一大难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述光纤传感器的不足,提供一种设计合理、结构简单、灵敏度高、稳定性良好的级联微球谐振腔型湿度传感器。

解决上述技术问题采用的技术方案是：包括传感器基底，所述的传感器基底上设置有相互垂直的横安装槽a和纵安装槽b，所述的横安装槽a内通过熔锥光纤左调螺丝和熔锥光纤右调螺丝设置有熔锥光纤，所述的熔锥光纤左右两端分别设置有左光纤跳线保护套管和右光纤跳线保护套管，纵安装槽b内通过单模光纤调节螺丝设置有单模光纤，所述的单模光纤相对所述的熔锥光纤的锥区设置。

本发明的熔锥光纤由直径为125um的商用1550光纤采用火焰拉锥的方法制成，锥区直径为0.5um～3um，由可升降的熔锥光纤左调螺丝和熔锥光纤右调螺丝调节使所述的熔锥光纤锥区悬空。

本发明的单模光纤由商用1550光纤对断面多次放电制成直径150um～200um的微球腔，所述的微球腔相对熔锥光纤的锥区设置。

本发明的单模光纤由商用1550光纤对断面多次放电制成双微球腔。

本发明的单模光纤的微球腔设置为微管腔，所述的微管相对熔锥光纤的锥区设置。