羟乙基纤维素增敏干涉型光纤湿度/温度同时测量传感器的制作方法

1.本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种羟乙基纤维素增敏干涉型光纤湿度/温度同时测量传感器。


背景技术：

2.实际环境是复杂多样的，对环境的详细了解需要对多个物理量进行调查和研究。相对湿度是相同温度下空气中的绝对湿度与饱和绝对湿度之比，因此，湿度的监测易受环境温度的影响。所以，在生物化学、农业、电子、仪器制造、食品加工、医疗和其他领域，同时测量相对湿度和温度变得越来越重要。传统的电子式相对湿度和温度传感器由于精度高等优点而得到了广泛的应用。但是，它们很难在诸如强腐蚀物质、强电磁干扰和长距离等复杂环境中使用。光纤传感器具有抗电磁干扰、高灵敏度、紧凑性、遥感和耐腐蚀的优势。光纤传感器在传感领域被认为是强力候选者，并已得到广泛研究和应用，例如温度、相对湿度、折射率、位移、气体、应变等。如今，研究者已经开发出了各种基于不同传感原理和结构的光纤传感器来检测相对湿度，包括光纤布拉格光栅(fbg)、长周期光栅(lpg)、法布里
‑
珀罗(f
‑
p)光纤传感器、马赫
‑
曾德干涉仪(mzi)、迈克尔逊和萨格纳克干涉仪、侧边抛磨光纤、微纳光纤、以及表面等离振子共振等。光纤湿度传感器主要由空心光纤、无芯光纤、塑料光纤、保偏光纤和光子晶体光纤等光纤制备而成。但是，这些传感器存在一定的局限性：微纳光纤结构难以制备且非常脆弱；光纤fbg或fp结构制造复杂；光子晶体光纤价格昂贵。光纤传感器的感应区域主要由光纤组成，光纤的主要材料为二氧化硅，对相对湿度和温度的敏感性较差。因此，提高测量灵敏度的有效方法是在光纤表面上涂覆敏感材料，例如氧化石墨烯，聚乙烯醇，石墨烯量子点和聚乙烯醇混合物，氧化石墨烯和聚乙烯醇混合物，藻酸钙水凝胶，碳纳米管和聚乙烯醇混合物，sno2，聚酰亚胺，壳聚糖，羟乙基纤维素水凝胶，聚甲基丙烯酸甲酯和诺兰光学胶。研究表明，羟乙基纤维素水凝胶是强亲水材料，易于被水分子修饰，羟乙基纤维素水凝胶具有一定的粘性，因此在二氧化硅表面有很强的附着性，容易涂覆在光纤表面，形成的薄膜具备极好的机械性能，同时羟乙基纤维素可以与被测环境较快的达成湿度平衡。羟乙基纤维素吸附水分子的方式主要为物理型附着，相比于化学型附着，这种附着主要是凭借材料分子和水分子二者间范德华力完成，这种附着速率快，可实现多层吸附，吸附热量少，脱附迟滞短。
3.当环境温度变化时，光纤湿度传感器会受到热膨胀和热光效应的影响，从而导致测量误差。为了保证传感器的检测准确性，同时测量温度和相对湿度是非常重要的。
4.马赫
‑
曾德干涉型光纤传感器通过采用干涉测量法产生相位或强度调制以便获得较高的灵敏度和分辨率，特别是基于马赫
‑
曾德干涉仪的新型光纤传感器具有许多优点，例如插入损耗低，制造方法简单，结构紧凑，成本低。因此，该类型的光纤传感器被用以测量各类参数，其发展前景相当广阔。研究表明，强度调制型的马赫
‑
曾德干涉仪主要通过对分束器和合束器做特殊处理来实现。相位型马赫
‑
曾德干涉仪主要通过对干涉臂做特殊处理来实现，观察其透射光谱对待测物理量的响应发现，共振波谷的波长规律性变化的同时，波谷
的强度也发生变化。
5.基于以上，本发明对分束器、合束器、干涉臂的全光纤包层特蚀刻增敏处理，激发出更加强烈的倏逝场，进一步增强传感器的强度响应，同时使用色散补偿光纤作为干涉臂，传感结构更加紧凑。高灵敏度的马赫
‑
曾德光纤传感仪结合羟乙基纤维素的良好吸湿性能，传感器的灵敏度将会得到进一步的提升。通过监测多个共振波谷的强度变化来同时测量相对湿度和温度，最后利用双波长矩阵解调的方法，实现温度和湿度的同时测量。这种方法灵敏度高，结构多样，可以满足多参数测量的需求。


技术实现要素：

6.有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明旨在提供一个低成本、易制备、结构紧凑、多参数测量、灵敏度高的羟乙基纤维素增敏干涉型光纤湿度/温度同时测量传感器。
7.本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现：
8.一种羟乙基纤维素增敏干涉型光纤湿度/温度同时测量传感器，包括入射光纤、分束器、干涉臂、羟乙基纤维素薄膜、合束器和出射光纤；
9.干涉臂包括第一干涉臂和第二干涉臂；腐蚀处理分束器、第一干涉臂和合束器，腐蚀后的区域涂覆羟乙基纤维素水凝胶形成羟乙基纤维素薄膜，激发强烈的倏逝场；
10.入射光纤的输出端连接分束器输入端，分束器的两个输出端一一对应连接第一干涉臂和第二干涉臂的输入端，第一干涉臂和第二干涉臂的输出端一一对应连接合束器的两个输入端，合束器的输出端与出射光纤的输入端连接；
11.入射光纤用于输入光信号，分束器使得从入射光纤中进来的光信号经过分束器耦合到干涉臂中，干涉臂传输不同模式的光信号，光信号在合束器处产生干涉，进而产生包括多个共振波谷的透射光谱，从干涉臂中进来的光信号经合束器耦合到出射光纤中，出射光纤将包括湿度和温度信息的光信号传输到外接的光谱仪中；羟乙基纤维素薄膜受湿度的影响有效折射率发生变化，进而影响光纤的包层折射率，同时光纤易受热膨胀效应和热光效应的影响，温度变化也会影响光纤的包层折射率；因此，湿度和温度的变化最终导致透射光谱共振波谷的强度改变，通过双波长矩阵解调法追踪共振波谷的强度变化，实现湿度和温度同时测量。
12.进一步地，所述入射光纤为单模光纤，输入端连接外接的宽带光源，将宽带光源的输出光由单模光纤中的纤芯传输进来。
13.进一步地，所述分束器为长度5
‑
10mm、直径120
‑
130μm的多模光纤，用于将入射光纤纤芯传输进来的光分束。
14.进一步地，所述干涉臂为长度5
‑
15mm、直径105
‑
115μm的色散补偿光纤；其中，第一干涉臂为色散补偿光纤中的包层，第二干涉臂为色散补偿光纤中的纤芯；第一干涉臂与第二干涉臂的长度相等。
15.进一步地，分束器、干涉臂和合束器的总长度为25
‑
30mm。
16.进一步地，以30
‑
40％浓度的氢氟酸溶液化学腐蚀分束器、干涉臂和合束器包层5
‑
20分钟，使其直径减少10
‑
30μm，形成锥形光纤区域；锥形光纤区域的多模光纤直径为90
‑
110μm，色散补偿光纤的直径为90
‑
105μm；光纤经腐蚀处理后倏逝场增强，使得周围环境湿
度/温度的变化引起光纤倏逝场的改变，并在锥形光纤区域的光纤表面涂覆羟乙基纤维素薄膜，用于提高对水分子吸附与解吸附，进而增强分束器、干涉臂和合束器对外界环境湿度和温度变化的感知。
17.进一步地，所述合束器为长度5
‑
10mm、直径120
‑
130μm的多模光纤，用以耦合第一干涉臂(31)和第二干涉臂(32)传输来的光信号。
18.进一步地，所述出射光纤为单模光纤，输出端连接外接的光谱仪获得包括有传感信息的透射光谱。
19.进一步地，传感器输出的光信号的强度和相位差如下：
[0020][0021][0022]
i
core
和i
cladding
分别是第二干涉臂和第一干涉臂中的光强度，i是传感器输出的光信号的强度；l是干涉臂的长度，δn
eff
是干涉臂的芯层和包层之间的有效折射率差；λ是光的波长；是相位差，等式中的等于(2m 1)π，m为正整数；当等于
‑
1时，透射光谱强度取得最小值，表示为：
[0023][0024]
通过式(3)看出传感器输出光信号强度的最小值与i
core
、i
cladding
有关；为此，对传感器分束器、合束器和干涉臂均做特殊增敏处理，激发出更加强烈的倏逝场，光纤折射率受影响更大；
[0025]
结合以上原因，最终体现在透射光谱上以共振波谷的强度变化为主。
[0026]
进一步地，追踪两个共振波谷λ
dip1
和λ
dip2
的强度变化，获得灵敏度系数矩阵，利用双波长矩阵解调方法实现同时测量湿度和温度，具体如下：
[0027][0028]
δrh和δt分别表示湿度和温度的变化量，a、c和b、d分别是共振波谷λ
dip1
和λ
dip2
的湿度和温度灵敏度系数，δi
dip1
和δi
dip2
分别表示共振波谷λ
dip1
和λ
dip2
强度变化量。
[0029]
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
[0030]
本发明是基于马赫
‑
曾德干涉仪，关注于调制分束器、合束器和干涉臂光纤包层、纤芯的光传播状态，引起输出光的强度变化，通过探测输出透射光谱中共振波谷的强度变化可以反推外部环境的相对湿度变化。对分束器、合束器和干涉臂的全光纤腐蚀处理，使得经过该区域的光激发出强烈的倏逝场，与外界环境湿度和温度变化的交互更为敏感。为进一步提高湿度检测的灵敏度，在锥形区域的光纤表面涂覆羟乙基纤维素水凝胶，相比于氧化石墨烯，羟乙基纤维素的亲水性更好，这将有助于感知外部相对湿度的变化。当羟乙基纤维素薄膜表面的含氧官能团吸附水分子时，羟乙基纤维素薄膜有效折射率发生改变将影响相邻光纤包层的折射率。光纤折射率的变化将影响传播光束的光强并最终反映在透射光谱中共振波谷的强度响应，可用于检测相对湿度。最后，通过监测多个共振波谷的强度响应，
解调灵敏度系数矩阵，实现温度和湿度的双参数同时测量。
[0031]
本发明结合了马赫
‑
曾德干涉仪结构优势和羟乙基纤维素的强亲水性、稳定性好、附着性好的优势，具有低成本、结构简单、高灵敏度、高稳定性、多参数测量等特点。
附图说明
[0032]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0033]
图1是本发明实施例羟乙基纤维素增敏干涉型光纤湿度/温度同时测量传感器的传感头结构示意图；
[0034]
图2是本发明实施例羟乙基纤维素增敏干涉型光纤湿度/温度同时测量传感器在不同相对湿度下的透射谱；
[0035]
图3是本发明实施例羟乙基纤维素增敏干涉型光纤湿度/温度同时测量传感器透射光谱监测波谷的中心波长与相对湿度变化的关系及其线性拟合；
[0036]
图4是本发明实施例羟乙基纤维素增敏干涉型光纤湿度/温度同时测量传感器在不同温度下的透射谱；
[0037]
图5是本发明实施例羟乙基纤维素增敏干涉型光纤湿度/温度同时测量传感器透射光谱监测波谷的中心波长与温度变化的关系及其线性拟合；
[0038]
在附图中，各附图标记表示：1、入射光纤；2、分束器；3、干涉臂；31、第一干涉臂；32、第二干涉臂；4、羟乙基纤维素薄膜；5、合束器；6、出射光纤。
具体实施方式
[0039]
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施作进一步详细的说明，但本发明的实施和保护范围不限于此，对本发明作实质相同的等同替换均属于本发明的保护范围。
[0040]
实施例
[0041]
本发明提供一种羟乙基纤维素增敏干涉型光纤湿度/温度同时测量传感器，如图1所示，包括入射光纤1、分束器2、干涉臂3、羟乙基纤维素薄膜4、合束器5和出射光纤6；
[0042]
干涉臂3包括第一干涉臂31和第二干涉臂32；腐蚀处理分束器2、第一干涉臂31和合束器5，腐蚀后的区域涂覆羟乙基纤维素水凝胶形成羟乙基纤维素薄膜4，激发强烈的倏逝场；
[0043]
入射光纤1的输出端连接分束器2输入端，分束器2的两个输出端一一对应连接第一干涉臂31和第二干涉臂32的输入端，第一干涉臂31和第二干涉臂32的输出端一一对应连接合束器5的两个输入端，合束器5的输出端与出射光纤6的输入端连接；
[0044]
入射光纤1用于输入光信号，分束器2使得从入射光纤1中进来的光信号经过分束器2耦合到干涉臂3中，干涉臂3传输不同模式的光信号，光信号在合束器5处产生干涉，进而产生包括多个共振波谷的透射光谱，从干涉臂3中进来的光信号经合束器5耦合到出射光纤6中，出射光纤6将包括湿度和温度信息的光信号传输到外接的光谱仪中；羟乙基纤维素薄膜4受湿度的影响有效折射率发生变化，进而影响光纤的包层折射率，同时光纤易受热膨胀
效应和热光效应的影响，温度变化也会影响光纤的包层折射率；因此，湿度和温度的变化最终导致透射光谱共振波谷的强度改变，通过双波长矩阵解调法追踪共振波谷的强度变化，实现湿度和温度同时测量。
[0045]
入射光纤1为单模光纤，输入端连接外接的宽带光源，将宽带光源的输出光由单模光纤中的纤芯传输进来。
[0046]
分束器2为长度8mm、直径125μm多模光纤(105/125μm)，用于将入射光纤1中纤芯传输进来的光分束。
[0047]
本实施例中，干涉臂3为长度10mm、直径110μm的色散补偿光纤(4.5/110μm)；其中，第一干涉臂31为色散补偿光纤中的包层，第二干涉臂32为色散补偿光纤中的纤芯；第一干涉臂31与第二干涉臂32的长度相等。
[0048]
本实施例中，分束器2、干涉臂3和合束器5的总长度为25
‑
30mm。以30
‑
40％浓度的氢氟酸溶液化学腐蚀上述区域光纤包层12分钟，使其直径减少10
‑
30μm，形成锥形光纤区域。锥形光纤区域的多模光纤直径为101.8μm，色散补偿光纤的直径为99.59μm。光纤经腐蚀处理后倏逝场增强，周围环境湿度/温度的变化引起光纤倏逝场的改变，并在锥形光纤区域的光纤表面涂覆羟乙基纤维素薄膜4，用于提高对水分子吸附与解吸附，进而增强分束器2、干涉臂3和合束器5对外界环境湿度和温度变化的感知。羟乙基纤维素薄膜4吸附水分子，其自身折射率会发生变化，紧密附着在光纤表面上的羟乙基纤维素薄膜和光纤看作是混合波导，因此光纤的有效折射率会受到影响；同时光纤由于热膨胀效应和热光效应的影响，温度改变也会影响其折射率。所以，传感器对湿度和温度变化的感知，最终反映在光纤透射光谱的可见实时的强度变化。
[0049]
本实施例中，所述合束器5为长度8mm、直径125μm多模光纤(105/125μm)，用以耦合第一干涉臂31和第二干涉臂32传输来的光信号。
[0050]
本实施例中，所述出射光纤6为单模光纤，输出端连接外接的光谱仪获得包括有传感信息的透射光谱。
[0051]
本发明传感器输出的光信号的强度和相位差如下：
[0052][0053][0054]
i
core
和i
cladding
分别是第一干涉臂31和第二干涉臂32中的光强度，i是传感器输出的光信号的强度；l是干涉臂3的长度，δn
eff
是干涉臂3的芯层和包层之间的有效折射率差；λ是光的波长；是相位差，等式中的等于(2m 1)π，m为正整数。当等于
‑
1时，透射光谱强度取得最小值，可表示为：
[0055][0056]
通过式(3)可以看出传感器输出光信号强度的最小值与i
core
、i
cladding
有关。光纤包层折射率变化可以调节i
core
和i
cladding
的大小，最终体现在透射光谱以共振波谷的光强变化为主。因此，实现对湿度和温度的同时测量，可以监测共振波谷的强度变化。
[0057]
本实施例中，在相对湿度测量实验中，将光纤湿度传感器放入封闭的恒温恒湿箱
内，温度保持在25℃条件下，光纤温湿度传感器输入端连接宽带光源，输出端连接光谱仪。通过控制调节恒温恒湿箱内的相对湿度，来获取光纤温湿度传感器的输出光谱对不同湿度的响应。如图2所示，在实验室环境下，恒温恒湿箱中湿度从30％增加到80％。很明显观察到共振波谷的强度变化和波长漂移。随着相对湿度的增加，羟乙基纤维素薄膜会吸收更多的水分子。由于羟乙基纤维素薄膜与光纤包层紧密接触，光纤包层的有效折射率也会受到影响，部分包层模式被改变最终导致透射光谱的共振波谷的强度发生变化。如图3所示，其中离散点表示的是监测共振波谷a和b的强度变化，实线表示相对应的线性拟合。可以看出，在相对湿度范围为30％
‑
80％的湿度范围内，共振波谷a的灵敏度为
‑
0.437db/％rh，线性相关系数为98％；共振波谷b的灵敏度为
‑
0.507db/％rh，线性相关系数为99％。
[0058]
本实施例中，在温度测量实验中，将光纤温湿度传感器放入封闭的恒温恒湿箱内，相对湿度保持在50％条件下，光纤温湿度传感器输入端连接宽带光源，输出端连接光谱仪。通过控制调节恒温恒湿箱内的温度，来获取光纤温湿度传感器的输出光谱对不同温度的响应。如图4所示，在实验室环境下，恒温恒湿箱中温度从10℃增加到50℃，可以很明显观察到共振波谷的强度减小。如图5所示，离散点表示的是监测共振波谷a和b的强度变化，实线表示相对应的线性拟合。可以看出，在10℃
‑
50℃的温度范围内，共振波谷a的灵敏度为
‑
0.237db/℃，线性相关系数为99％；共振波谷b的灵敏度为
‑
0.346d b/％℃，线性相关系数为99％。
[0059]
可见，当外界湿度和温度同时变化时，共振波谷a和b的强度都在改变，湿度和温度的改变量为：
[0060][0061]
通过上式可以得到湿度和温度的各自表达式，从而可以实现湿度和温度的同时测量。
[0062]
本发明是基于马赫
‑
曾德干涉仪，关注于调制分束器、合束器和干涉臂光纤包层、纤芯的光传播状态，引起输出光的强度变化，通过探测输出透射光谱中共振波谷的强度变化可以反推外部环境的相对湿度和温度变化。对分束器、合束器和干涉臂的全光纤腐蚀处理，使得经过该区域的光激发出更加强烈的倏逝场，与外界环境湿度和温度变化的交互更为敏感。为进一步提高灵敏度，在锥形区域的光纤表面涂覆羟乙基纤维素水凝胶，相比于氧化石墨烯，羟乙基纤维素的亲水性更好，这将有助于感知外部相对湿度的变化。当羟乙基纤维素薄膜表面的含氧官能团吸附水分子时，羟乙基纤维素薄膜有效折射率发生改变将影响相邻光纤包层的折射率。光纤折射率的变化将影响传播光束的光强并最终反映在透射光谱中共振波谷的强度响应。最终，通过监测多个共振波谷对湿度和温度的强度响应，解调灵敏度系数矩阵，实现温度和湿度的双参数同时测量。
[0063]
本发明结合了马赫
‑
曾德干涉仪结构优势和羟乙基纤维素的强亲水性、稳定性好、附着性好的优势。与表1所述类似实施例相比具有低成本、结构简单、高灵敏度、高稳定性、多参数测量等特点。
[0064]
表1 湿度和温度双参数测量传感器案例对比
[0065][0066]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。