本發(fā)明涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于二硒化鉬的光纖濕度傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)：

濕度是一個重要的物理量，航空航天、發(fā)電變電、紡織、食品、醫(yī)藥、倉儲、農(nóng)業(yè)等行業(yè)對濕度的要求都非常嚴格，對濕度參量進行有效實時監(jiān)測和控制，是正常生產(chǎn)的前提。理想的濕度傳感器可在較寬的溫度和濕度范圍內(nèi)使用：測量精度高、壽命長、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、濕滯回差小、靈敏度高、線性好、溫度系數(shù)小、制造工藝簡單、體積小等?，F(xiàn)在濕度傳感器大部分是利用濕度對電阻或電容的影響制作而成，因此其對抗電磁干擾、抗腐蝕、距離傳感方面存在不足。

雖然現(xiàn)有市面上存在光纖濕度傳感器能有效地應(yīng)對上述問題，但是目前的基于石墨烯的光纖濕度傳感器對濕度的響應(yīng)卻是非線性的，如申請?zhí)枮?01510694866.1的中國專利《基于氧化石墨烯和聚乙烯醇復(fù)合膜的光纖濕度傳感器》公開了基于氧化石墨烯/聚乙烯醇復(fù)合膜的光纖濕度傳感器，由寬帶光源、第一光纖腰錐放大、氧化石墨烯/聚乙烯醇復(fù)合膜、第二光纖腰錐放大和光譜分析儀組成；氧化石墨烯/聚乙烯醇復(fù)合膜經(jīng)過干燥處理，均勻鍍在第一光纖腰錐放大和第二光纖腰錐放大中間光纖區(qū)域的側(cè)表面上，形成氧化石墨烯/聚乙烯醇復(fù)合膜；氧化石墨烯/聚乙烯醇復(fù)合膜的厚度為200～500nm；第一光纖腰錐放大左端與寬帶光源連接，第一光纖腰錐放大右端與第二光纖腰錐放大左端連接，第二光纖腰錐放大右端與光譜分析儀連接。雖然該專利具有較高靈敏度和分辨率，但其不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制備不易，且對濕度的響應(yīng)為非線性，精準度不足。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中至少一個技術(shù)缺陷，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、響應(yīng)具線性的基于二硒化鉬的光纖濕度傳感器及其制備方法。

本發(fā)明的上述目的通過如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：

一種基于二硒化鉬的光纖濕度傳感器，包括側(cè)邊拋磨光纖、二硒化鉬膜層，所述側(cè)邊拋磨光纖包括包層和纖芯，所述包層經(jīng)部分拋磨處理成一拋磨面，所述二硒化鉬膜層沉積在所述側(cè)邊拋磨光纖的拋磨面上。

二硒化鉬（MoSe₂）具有類似于三明治的片層狀結(jié)構(gòu)，可吸收光線。將二硒化鉬與光波導(dǎo)相結(jié)合，二硒化鉬的光頻電導(dǎo)率會影響光波導(dǎo)的有效折射率，進而影響到光波導(dǎo)中的傳輸光場。利用濕度對光頻電導(dǎo)率的影響，即可制成基于二硒化鉬的光纖濕度傳感器。基于此，把二硒化鉬膜層沉積到側(cè)邊拋磨光纖（SPF）的拋磨面上，涂覆在側(cè)邊拋磨光纖拋磨面上的材料與消逝場產(chǎn)生相互作用，并耦合到在纖芯傳播的模場中，利用這種特性制作出傳感器。

本發(fā)明的基本工作原理基于以上，當不同濕度的空氣與二硒化鉬膜層接觸后，二硒化鉬膜層的光頻電導(dǎo)率等光學(xué)參數(shù)會發(fā)生改變，通過測量二硒化鉬膜層光學(xué)參數(shù)的變化即可獲得相應(yīng)的濕度。由于簡單及低廉的制作方法，與光纖系統(tǒng)的高度兼容性，使得二硒化鉬可以作為結(jié)合側(cè)邊拋磨光纖進行傳感的理想選擇。

進一步地，所述二硒化鉬膜層的層數(shù)為多層。

進一步地，所述二硒化鉬膜層的厚度為50nm～500nm。經(jīng)實驗，二硒化鉬作為濕度傳感的最佳厚度應(yīng)為50nm～500nm。

進一步地，所述側(cè)邊拋磨光纖可為單模光纖或多模光纖，所述拋磨面長度為5mm～30mm。一般普通的單模光纖的直徑為125μm，其纖芯直徑約為8μm，若側(cè)邊拋磨光纖為單模光纖，則經(jīng)拋磨處理后的拋磨面厚度應(yīng)為61μm～70μm，計算得到拋磨深度范圍為55μm～64μm；若側(cè)邊拋磨光纖為多模光纖，則所述拋磨面與所述纖芯間距離為1.5μm～5μm，或?qū)⑺隼w芯拋磨掉一部分。

本發(fā)明的另一目的為解決現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種基于二硒化鉬的光纖濕度傳感器的制備方法，包括如下步驟：

S1.制備側(cè)邊拋磨光纖：通過拋磨，把光纖的一部分包層或連同一部分纖芯拋磨掉，在光纖表面形成一定長度的平坦區(qū)域即拋磨面，得到側(cè)邊拋磨光纖；

S2.采用二硒化鉬分散液在所述側(cè)邊拋磨光纖的拋磨面沉積二硒化鉬膜層。

進一步地，所述步驟S2具體為：使用UV膠把所述側(cè)邊拋磨光纖部分固定在玻片上，拋磨面朝上，然后使用UV膠做一個圍繞拋磨面的槽， 把二硒化鉬分散液滴到槽中，放置于室溫中，等到所述二硒化鉬分散液中的水和酒精自然蒸發(fā)，即在所述拋磨面上形成二硒化鉬膜層。

進一步地，所述二硒化鉬分散液由片狀大小為10nm～100nm的二硒化鉬納米片均勻分散于溶劑中制成，所述溶劑為水和酒精。

進一步地，所述二硒化鉬分散液濃度為0.5～10mg/ml。

本發(fā)明使用水和酒精為溶劑制成適當濃度的二硒化鉬分散液，通過自然蒸發(fā)的方法，把二硒化鉬膜層沉積到所述側(cè)邊拋磨光纖的拋磨面上。水蒸汽作為新型的MoSe₂-coated SPF的檢測目標氣體有兩個原因：（1）二硒化鉬巨大的表面積可以有效的吸附水分子；（2）水蒸氣（濕度）可以在一個大的范圍調(diào)節(jié)。MoSe₂SPF的輸出光功率與濕度呈現(xiàn)線性，并且測量的靈敏度高、響應(yīng)速度快、重復(fù)性好。

進一步地，所述圍繞拋磨面的槽大小為2×0.5×0.1 cm³～4.5×2×0.5cm³。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：

通過結(jié)合二硒化鉬和側(cè)邊拋磨光纖，制備一個新型的基于二硒化鉬的濕度傳感器，此傳感器在濕度范圍30%到80%內(nèi)，輸出光功率與相對濕度具有良好的線性相關(guān)特性、重復(fù)性和可逆性。經(jīng)測試，在濕度30%到80%整段范圍內(nèi)，線性相關(guān)性達到97.26%，靈敏度為0.3457 dB/%RH，分辨率為0.145 %，響應(yīng)速度快于0.13%RH/s。本發(fā)明不僅能克服電子濕度傳感器的缺點，抗電磁干擾，可以實現(xiàn)遠距離傳感；而且結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低，呈分布式傳感，線性相關(guān)性高，具有較好的敏感度和精確度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的示意圖。

圖2為對本發(fā)明進行響應(yīng)性、相關(guān)線性和重復(fù)性實驗的示意圖。

圖3a為實驗得出的實際相對濕度示意圖。

圖3b為沒有拋磨的單模光纖的相對輸出功率隨時間變化示意圖。

圖3c為側(cè)邊拋磨光纖的相對輸出功率隨時間變化示意圖。

圖3d為本發(fā)明的相對輸出功率隨時間變化示意圖。

圖4為本發(fā)明的相對濕度和相對輸出功率隨時間變化的對比圖。

圖5為本發(fā)明的相對濕度與相對輸出功率的相關(guān)線性圖。

圖6為本發(fā)明的相對濕度和相對輸出功率的變化示意圖。

圖7為本發(fā)明的制備方法示意圖。

圖中：100側(cè)邊拋磨光纖、200二硒化鉬膜層、300拋磨面、400玻片、500槽、110包層、120纖芯。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明作進一步說明。其中，附圖僅用于示例性說明，表示的僅是示意圖，而非實物圖，不能理解為對本發(fā)明的限制。

一種基于二硒化鉬的光纖濕度傳感器，包括側(cè)邊拋磨光纖100、二硒化鉬膜層200，所述側(cè)邊拋磨光纖包括包層110和纖芯120，所述包層110經(jīng)部分拋磨處理成一拋磨面300，所述拋磨面300長度為16mm。所述二硒化鉬膜層200沉積在所述側(cè)邊拋磨光纖100的拋磨面300上，所述二硒化鉬膜層200為多層，厚度為289nm。

從圖1可清楚看見，本實施例的側(cè)邊拋磨光纖100為單模光纖，直徑為125μm，其纖芯直徑約為8μm，經(jīng)拋磨處理后的拋磨面300厚度為67μm，計算得到拋磨深度范圍為58μm。此外，所述側(cè)邊拋磨光纖100也可為多模光纖，作為另一實施例（未附圖示出），此時所述拋磨面300與所述纖芯間距離為1.5μm～5μm，或?qū)⑺隼w芯拋磨掉一部分。

空氣的濕度會對二硒化鉬（MoSe₂）的光頻電導(dǎo)率產(chǎn)生影響，當所述二硒化鉬膜層200接觸到不同濕度的空氣后，其光頻電導(dǎo)率等光學(xué)參數(shù)即會隨著空氣的濕度不同而相應(yīng)呈線性變化，此時只要計算出二硒化鉬膜層200的相應(yīng)光學(xué)參數(shù)與空氣濕度的相關(guān)線性關(guān)系，即可實現(xiàn)對空氣濕度的測量。

以下針對所述基于二硒化鉬的光纖濕度傳感器進行響應(yīng)性、相關(guān)線性和重復(fù)性實驗，具體如下：

如圖2所示，實驗裝置由DFB激光器、1×3耦合器、恒溫恒濕箱、光功率計、電子溫濕度傳感器（Testo 175H1，精度：±0.4℃（-20～+55℃），±2%RH(2～ +98%RH)，分辨率：0.1℃，0.1%RH）和電腦組成。DFB激光器作為光源，連接1×3耦合器，耦合器把激光分成三路，分別輸入沒有拋磨的單模光纖、SPF和沉積了MoSe₂薄膜的側(cè)邊拋磨光纖（即本發(fā)明），通過光功率計檢測三路光的輸出功率，并輸入到電腦。

設(shè)定恒溫恒濕箱的溫度恒定為30℃，濕度從30%上升到80%，然后從80%下降到30%，每個濕度維持時間約為16min，濕度間隔為5%。每次濕度持續(xù)時間包括調(diào)整時間（大約2min）和穩(wěn)定時間（大約14min）。實際的相對濕度由放置于恒溫恒濕箱內(nèi)的溫濕度傳感器檢測，如圖3a所示。通過3個樣品的輸出光功率同時由光功率計記錄，并由電腦儲存，如圖3b，沒有拋磨過的SMF輸出光功率的變化幅度為-0.05dB，輸出光功率幾乎沒有變化，說明的光源是穩(wěn)定的。如圖3c，輸出光功率隨著濕度的變化有小幅度的變化，幅度為-0.04dB，光功率的變化與濕度的變化成正相關(guān)。如圖3d，沉積MoSe₂膜層的側(cè)邊拋磨光纖樣品的輸出光功率的功率變化范圍是三個樣品中最大的，在測量周期里的變化范圍為16dB，約為側(cè)邊拋磨光纖變化范圍的400倍。圖3d可以看出，當實際的相對濕度上升時，MoSe₂CSPF的輸出相對光功率跟隨著上升，當相對濕度下降時，相對光功率也隨之下降，在相對濕度范圍30%到80%的上升區(qū)間和下降區(qū)間內(nèi)，MoSe₂CSPF的輸出相對光功率對相對濕度具有跟隨性。

圖4為MoSe₂CSPF相對濕度和相對輸出功率的對比圖，可以得出，當我們對比9000s到10500s這段時間里實際相對濕度和相對光功率，在這個時間段里相對濕度處于上升狀態(tài)。當相對濕度在63%和70%小幅度震蕩時，MoSe₂CSPF的輸出相對光功率也隨著相對濕度小幅度震蕩，可見MoSe₂CSPF的輸出相對光功率對相對濕度具有良好跟隨性。

圖5為MoSe₂CSPF相對濕度與相對輸出功率的相關(guān)線性圖，MoSe₂CSPF的輸出相對光功率與相對濕度呈線性關(guān)系，當相對濕度上升時，MoSe₂CSPF的輸出相對光功率也隨之上升。在相對濕度30%～80%的范圍內(nèi)，MoSe₂CSPF的輸出相對光功率與相對濕度呈線性關(guān)系。靈敏度為0.3457dB/%RH，由于光功率計能分辨出0.01dB的光功率變化，因此MoSe₂CSPF能分辨出0.1%的相對濕度的變化。

如圖6所示，保持溫度30℃，調(diào)節(jié)相對濕度在44%到77%來回變化多次，記錄MoSe₂CSPF輸出相對功率的變化。可見，當濕度每次回到44%和77%時，樣品的輸出的相對光功率都回到最初的值，MoSe₂CSPF樣品對相對濕度的響應(yīng)具有很好的重復(fù)性和可逆性。

由于恒溫恒濕箱內(nèi)的濕度改變的最大速度為0.13%/RH/s，而從圖4可以看出，MoSe₂CSPF樣品的輸出光功率能很好的跟隨濕度的變化，因此樣品的響應(yīng)速度可以認為快于0.13%/RH/s。

綜上所述，通過結(jié)合MoSe₂和側(cè)邊拋磨光纖，我們得到了一個新型的基于MoSe₂的濕度傳感器，此傳感器在濕度范圍30%到80%內(nèi)，輸出光功率與相對濕度具有良好的線性相關(guān)特性、重復(fù)性和可逆性。在濕度30%到80%整段范圍內(nèi)，線性相關(guān)性達到97.12%，靈敏度為0.3457dB/%RH，分辨率為0.1%，響應(yīng)速度快于0.13%/RH/s。這個新型的傳感器不僅能克服電子濕度傳感器的缺點，而且具有其他優(yōu)點，如結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，可以實現(xiàn)遠距離傳感，抗電磁干擾，分布式傳感。

圖7示出本發(fā)明的實施例2一種基于二硒化鉬的光纖濕度傳感器的制備方法，包括如下步驟：

S1.制備側(cè)邊拋磨單模光纖：通過拋磨，把光纖的一部分包層110和纖芯120去掉，在光纖表面形成一定長度的平坦區(qū)域，即拋磨面300；所述側(cè)邊拋磨光纖100的拋磨面300厚度為67μm（此時纖芯120也被拋磨掉一部分），拋磨面300長度為16mm；

S2、沉積二硒化鉬膜層200：如圖2，使用UV膠把側(cè)邊拋磨部分固定在玻片400上，拋磨面300朝上，然后使用UV膠做成一個圍繞拋磨面300的槽500，槽500大小為2×0.5×0.1 cm³ ，把二硒化鉬分散液滴到槽中，放置于室溫中，等到水和酒精自然蒸發(fā)，在拋磨面300上形成二硒化鉬膜層200。

所述二硒化鉬分散液為將片狀大小為10nm～100nm的二硒化鉬納米片均勻分散于溶劑中制成，所述溶劑為水和酒精。所述二硒化鉬分散液濃度為1mg/ml。

用以上方法制備的基于二硒化鉬的光纖濕度傳感器，所述二硒化鉬膜層200的層數(shù)為多層，所述二硒化鉬膜層200的厚度為289nm。

實施例3的步驟與實施例2的基本相同，都是以單模光纖作為側(cè)邊拋磨光纖100的制備方法，不同在于：

所述拋磨面300的厚度為60μm，長度為15mm；

使用UV膠做成一個圍繞拋磨面300的槽500大小為4.5×2×0.5 cm³；

所述二硒化鉬分散液濃度為10mg/ml；

所述二硒化鉬膜層200厚度為496nm。

實施例4：

一種基于的光纖濕度傳感器的制備方法，包括如下步驟：

S1、制備側(cè)邊拋磨多模光纖：通過拋磨，把光纖的一部分包層110和纖芯120去掉，在光纖表面形成一定長度的平坦區(qū)域，即拋磨面300；拋磨面300與光纖纖芯120的距離1.5μm，拋磨面300長度為17mm；

S2、沉積二硒化鉬膜層200：使用UV膠把側(cè)邊拋磨部分固定在玻片400上，拋磨面300朝上，然后使用UV膠做成一個圍繞拋磨面300的槽500，槽大小為4.5×2×0.5 cm³ ，把二硒化鉬分散液滴到槽中，放置于室溫中，等到水和酒精自然蒸發(fā)，在拋磨面300上形成二硒化鉬膜層。

所述二硒化鉬分散液為將片狀大小為10nm～100nm的二硒化鉬納米片均勻分散于溶劑中制成，所述溶劑為水和酒精。所述二硒化鉬分散液濃度為10mg/ml。

用以上方法制備的基于二硒化鉬的光纖濕度傳感器，所述二硒化鉬膜層的層數(shù)200為多層，所述二硒化鉬膜層200的厚度為395nm。

實施例5的步驟與實施例4的基本相同，都是以多模光纖作為側(cè)邊拋磨光纖100的制備方法，不同在于：所述拋磨面300與光纖纖芯120的距離為5μm。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)先實施例，不能以此限定本發(fā)明的實施范圍，凡以基本相同手段實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案都屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。