本發(fā)明提出了一種測量空氣中相對濕度的光纖型傳感器，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

石墨烯是一種新型的二維碳材料，具有比表面積大、導(dǎo)熱系數(shù)高、機械強度大等優(yōu)良性能。氧化石墨烯屬于石墨烯最重要的衍生物，它在保留著石墨烯眾多特性的同時，其表面豐富的含氧官能團使得其有著良好的親水特性，可以穩(wěn)定的分散于水溶液或乙醇溶液中。

由于氧化石墨烯表面及邊緣存在著大量的含氧極性官能團，因此該材料具有良好的吸濕性。將光纖傳感結(jié)構(gòu)浸入氧化石墨烯分散液中，同時在該光纖傳感結(jié)構(gòu)中輸入一定功率的連續(xù)激光，利用該激光在傳感結(jié)構(gòu)處產(chǎn)生的熱量以及光壓效應(yīng)，可以在光纖傳感器側(cè)表面均勻鍍上氧化石墨烯薄膜。利用該薄膜吸濕膨脹和干燥消溶脹的特性，可制成光纖濕度傳感器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種測量空氣中相對濕度的光纖型傳感器，通過將一定功率的連續(xù)激光輸入到傾斜布拉格光柵中，利用激光在傳感結(jié)構(gòu)處產(chǎn)生的干涉耦合現(xiàn)象，利用光熱光壓效應(yīng)在傳感結(jié)構(gòu)的側(cè)表面均勻鍍上氧化石墨烯薄膜。該薄膜具有吸濕膨脹和干燥消溶脹的特性，相應(yīng)的薄膜折射率也會發(fā)生變化，可以極大的提高該傳感器的靈敏度和分辨率。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：一種測量空氣中相對濕度的光纖型傳感器，其特征在于：由寬帶光源(1)、偏振控制器(2)、第一單模光纖(3)、第二單模光纖(4)、第三單模光纖(5)、氧化石墨烯薄膜(6)、進氣口(7)、出氣口(8)、氣室底座(9)和氣室屏障(10)光譜分析儀(11)，第一二維光纖夾具(14)，第二二維光纖夾具(15)組成；其中第三單模光纖(5)上面鍍有氧化石墨烯薄膜(12)，纖芯刻有傾斜的布拉格光柵(13)，偏振控制器(2)左端與寬帶光源(1)連接，右端與第一單模光纖(3)左端連接，第一單模光纖(3)右端與第三單模光纖(4)左端連接，第二單模光纖(4)左端與第三單模光纖(5)右端相連，第二單模光纖(4)右端與光譜分析儀(11)連接；偏振控制器(2)用于控制入射光的偏振態(tài)，調(diào)節(jié)偏振控制器(2)使出來的光為P偏振態(tài)，在氣室中進氣與出氣的速率相等，穩(wěn)定控制在1000sccm，實驗溫度控制在23攝氏度。

所述的第三單模光纖(5)的傾斜布拉格光柵由單模光纖通過相位匹配的方法制作而成，光柵長度為10mm，光柵周期為556.6nm，傾斜角度為10°。

所述的寬帶光源(1)的波長范圍為1420nm～1620nm。

所述的氧化石墨烯薄膜(6)作為濕度敏感膜，厚度為0.5～2μm。

本發(fā)明的工作原理是：入射光通過帶有傾斜的布拉格光柵(13)的第三單模光纖(5)時部分光會反射回到入射端的包層，相位匹配后形成反射梳狀包層模，當(dāng)氧化石墨烯薄膜由于外界濕度變化使得包層外界物質(zhì)折射率改變，激發(fā)出來的反射包層模會產(chǎn)生波長飄移。為了更好的檢測濕度的變化，用偏振控制器來控制傳輸光的偏振方向，布拉格模式波表示為λ_Bragg，第i階模式的包層模干涉表示為則傳輸模式可以表示為：

${\mathrm{\λ}}_{Bragg}=2n_{eff}^{core}\left({\mathrm{\λ}}_{Bragg}\right)\mathrm{\Λ}/\cos \left(\mathrm{\θ}\right)---\left(1\right)$

${\mathrm{\λ}}_{cladding}^i=\left(n_{eff}^{core}\right({\mathrm{\λ}}_{cladding}^i)+n_{eff}^{cladding}({\mathrm{\λ}}_{cladding}^i\left)\right)\mathrm{\Λ}/cos\left(\mathrm{\θ}\right)---\left(2\right)$

其中為單模光纖纖芯的有效折射率，為包層的有效折射率，θ為傾斜布拉格光柵的角度，Λ為干涉圖樣的周期。

本發(fā)明采用的是氧化石墨烯薄膜(6)，因為其表面及邊緣存在大量的含氧極性基團，因此，該材料對濕度變化敏感。氧化石墨烯薄膜吸收水分子會膨脹，干燥則會消溶脹，相應(yīng)的折射率也會發(fā)生變化。當(dāng)該薄膜被鍍在偏振單模光纖3(5)的表面時，可以得到相應(yīng)波長的改變量，從而達(dá)到探測外界濕度的變化。

本發(fā)明的有益效果是：提出將對濕度變化尤為敏感的氧化石墨烯薄膜(6)作為濕度敏感膜，該傳感器對外界濕度變化的敏感性將明顯增強。同時，將第三單模光纖(5)加入到氣室屏障(10)中，通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)該濕度傳感器的靈敏度將得到顯著提升，為濕度檢測提供了一種較為簡便易搭建、可靠、靈敏度高的新方法。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種測量空氣中相對濕度的光纖型傳感器特征裝置示意圖。

圖2是本發(fā)明的處于不同濕度下的干涉峰光強變化圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細(xì)描述。

參見附圖1，一種測量空氣中相對濕度的光纖型傳感器，其特征在于：由寬帶光源(1)、偏振控制器(2)、第一單模光纖(3)、第二單模光纖(4)、第三單模光纖(5)、氧化石墨烯薄膜(6)、進氣口(7)、出氣口(8)、氣室底座(9)和氣室屏障(10)光譜分析儀(11)，第一二維光纖夾具(14)，第二二維光纖夾具(15)組成；其中第三單模光纖(5)上面鍍有氧化石墨烯薄膜(12)，纖芯刻有傾斜的布拉格光柵(13)，偏振控制器(2)左端與寬帶光源(1)連接，右端與第一單模光纖(3)左端連接，第一單模光纖(3)右端與第三單模光纖(4)左端連接，第二單模光纖(4)左端與第三單模光纖(5)右端相連，第二單模光纖(4)右端與光譜分析儀(11)連接。

第一單模光纖(3)，第二單模光纖(4)，第三單模光纖(5)的連接，采用的光纖熔接機型號為Fujikura 60s，程序設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)熔接，實驗環(huán)境設(shè)置為常溫氣室25°。將第三單模光纖(5)浸入氧化石墨烯分散液中，同時在該光纖傳感結(jié)構(gòu)中輸入一定功率的連續(xù)激光，利用該激光在單模光纖3(5)產(chǎn)生的熱量以及光壓效應(yīng)，可以在單模光纖3(5)側(cè)表面均勻鍍上氧化石墨烯薄膜(6)，然后取出并置于室溫下自然干燥48小時。