一種基于錐腰放大結(jié)構(gòu)涂覆羧甲基纖維素膜的濕度傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明提供了一種基于錐腰放大結(jié)構(gòu)涂覆羧甲基纖維素膜的濕度傳感器，屬于光 纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 馬赫曾德干涉儀廣泛應(yīng)用于傳感領(lǐng)域中。它是運用雙光束干涉原理制作而成的。 傳統(tǒng)的馬赫曾德干涉儀是由單色光激光器、兩個耦合器，兩根普通的單模光纖和光譜儀組 成。由激光器發(fā)出的相干光，通過一個親合器分別進入兩根長度相同的單模光纖中，一根光 纖被放到測試環(huán)境中作為傳感器來感受某一物理量的變化，另一根光纖作為參考臂被固定 好，然后通過另一個耦合器使得傳感臂和參考臂中不同光程差的兩束光產(chǎn)生干涉，最后通 過觀測光譜儀中干涉信號的變化來監(jiān)測被測物理量的變化。目前新型的全光纖馬赫曾德干 涉儀被提出來，這種干涉儀的干涉臂只有一根光纖。在光纖上進行一些加工后形成的拉錐、 錐腰放大、錯位、花生等結(jié)構(gòu)可以作為耦合器使原本沿著纖芯傳輸?shù)墓庖徊糠诌M入包層，下 一個類似的耦合器重新將光耦合到纖芯中與纖芯中傳輸?shù)墓獍l(fā)生干涉，這就是馬赫曾德干 涉儀的原理。這種全光纖的馬赫曾德干涉儀具有靈敏度高、制作簡單、成本低、結(jié)構(gòu)微小等 優(yōu)點。
[0003] 濕度測量的原理是在傳感器的表面結(jié)合濕敏材料，外界環(huán)境濕度的改變影響了濕 敏膜的一部分屬性，如折射率，從而影響包層的折射率，干涉光譜會隨之改變。羧甲基纖維 素屬陰離子型纖維素醚類，無嗅無味，無毒；易溶于冷水或熱水，形成具有一定粘度的透明 溶液。羧甲基纖維素作為一種新型的濕敏材料，在制備溶液的過程中，按照質(zhì)量比為2%將 羧甲基纖維素粉末與蒸餾水混合攪拌。通過改變濕敏膜的涂覆厚度來提高傳感器的靈敏 度。隨著濕度的改變，濕敏膜的折射率發(fā)生改變，從而改變包層的有效折射率，這樣纖芯和 包層的有效折射率差發(fā)生改變，從而引起干涉光譜的變化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于錐腰放大結(jié)構(gòu)涂覆羧甲基纖維素膜的濕度傳感 器。該裝置能夠?qū)⒋郎y相對濕度的變化量轉(zhuǎn)化為探測信號的強度漂移量。具有結(jié)構(gòu)簡單、 成本低、結(jié)構(gòu)微小、在高濕度范圍內(nèi)靈敏度高等特點。
[0005] 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0006] -種基于錐腰放大結(jié)構(gòu)涂覆羧甲基纖維素膜的濕度傳感器，其特征在于：由入射 光纖（1)、第一個錐腰放大結(jié)構(gòu)（2)、連接光纖（3)、第二個錐腰放大結(jié)構(gòu)（4)、出射光纖（5)、 羧甲基纖維素膜（6)組成；第一個錐腰放大結(jié)構(gòu)（2)的兩端分別與入射光纖（1)和連接光 纖（3)相連接，第二個錐腰放大結(jié)構(gòu)（4)的兩端分別與連接光纖（3)和出射光纖（5)相連 接，兩個錐腰放大結(jié)構(gòu)（2)和（4)由一段連接光纖（3)連接；兩個錐腰放大結(jié)構(gòu)（2)和（4) 和連接光纖（3)構(gòu)成全光纖馬赫曾德干涉儀；連接光纖（3)表面鍍了羧甲基纖維素膜（6)。
[0007] 所述的一種基于錐腰放大結(jié)構(gòu)涂覆羧甲基纖維素膜的濕度傳感器，其特征在于： 入射光纖（I)、出射光纖（5)和連接光纖（3)均采用G. 652單模光纖，入射光纖（1)和出射 光纖（5)長度為20~40cm，連接光纖（3)長度為15~30mm。
[0008] 所述的一種基于錐腰放大結(jié)構(gòu)涂覆羧甲基纖維素膜的濕度傳感器，其特征在于： 錐腰放大結(jié)構(gòu)（2)和（4)的光纖均采用G. 652單模光纖，長度為350~400um，錐腰放大結(jié) 構(gòu)⑵和⑷的直徑為140um~170um。
[0009] 所述的一種基于錐腰放大結(jié)構(gòu)涂覆羧甲基纖維素膜的濕度傳感器，其特征在于： 羧甲基纖維素膜（6)每層的厚度為2. 2um。
[0010] 本發(fā)明的工作原理是：當帶寬光源發(fā)出的光經(jīng)過入射光纖進入第一個錐腰放大結(jié) 構(gòu)時，包層模式被激發(fā)，一部分光將耦合進入包層，另一部分光將繼續(xù)沿著纖芯傳播，當?shù)?達第二個錐腰放大結(jié)構(gòu)時，在包層中傳輸?shù)墓鈱⑴c在纖芯中傳輸?shù)墓獍l(fā)生干涉，最后經(jīng)過 傳出光纖到達光譜儀。這個馬赫曾德干涉儀透射強度表示為
[0012] 其中IJP I 2分別是包層模和纖芯模的強度，灼是初始相位，P是纖芯模和包層模 的相位差。
[0014] 其中Arwf是纖芯模和包層模的有效折射率差，L是兩個錐腰放大結(jié)構(gòu)中間的干 涉長度，λ是工作波長。當使用該傳感器對濕度進行測量時，包層的外界折射率隨著外界 濕度的改變而改變，從而使得A Ilrff和供發(fā)生改變。根據(jù)公式（1)可知外界濕度的改變導(dǎo)致 干涉光譜強度的改變，通過監(jiān)測干涉光譜強度漂移量可以還原待測信號。
[0015] 本發(fā)明的有益效果是：該濕度傳感器是基于兩個級聯(lián)錐腰放大結(jié)構(gòu)的馬赫曾德干 涉儀制作而成的，兩個錐腰放大結(jié)構(gòu)參數(shù)基本相同。第一個錐腰放大結(jié)構(gòu)使得輸入光信號 一部分仍沿著纖芯傳輸，另一部分進入包層沿著包層傳輸；第二個錐腰放大結(jié)構(gòu)使得在包 層中傳輸?shù)墓馀c纖芯中傳輸?shù)墓獍l(fā)生干涉。當改變傳感器的外界濕度時，對應(yīng)的干涉光譜 將會漂移。該傳感器采用全光纖的馬赫曾德干涉儀，穩(wěn)定性更好，靈敏度更高。
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發(fā)明的基于錐腰放大結(jié)構(gòu)涂覆羧甲基纖維素膜的濕度傳感器示意圖；
[0017] 圖2是本發(fā)明的涂覆濕敏膜前后傳感器的干涉光譜變化實驗圖；
[0018] 圖3是本發(fā)明的在不同濕度情況下涂覆三層濕敏膜的傳感器的干涉光譜變化實 驗圖；
[0019] 圖4是本發(fā)明的涂覆三層濕敏膜的傳感器的相對濕度靈敏度擬合圖；
【具體實施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖及實施實例對本發(fā)明作進一步描述：
[0021] 參見附圖1，一種基于錐腰放大結(jié)構(gòu)涂覆羧甲基纖維素膜的濕度傳感器，其特征在 于：由入射光纖（1)、第一個錐腰放大結(jié)構(gòu)（2)、連接光纖（3)、第二個錐腰放大結(jié)構(gòu)（4)、出 射光纖（5)、羧甲基纖維素膜（6)組成；第一個錐腰放大結(jié)構(gòu)（2)的兩端分別與入射光纖 (1)和連接光纖（3)相連接，第二個錐腰放大結(jié)構(gòu)（4)的兩端分別與連接光纖（3)和出射 光纖（5)相連接，兩個錐腰放大結(jié)構(gòu)⑵和⑷由一段連接光纖⑶連接；兩個錐腰放大結(jié) 構(gòu)（2)和（4)和連接光纖（3)構(gòu)成全光纖馬赫曾德干涉儀；連接光纖（3)表面鍍了羧甲基 纖維素膜（6)。
[0022] 入射光纖（1)、出射光纖（5)和連接光纖（3)均采用G. 652單模光纖，入射光纖（1) 和出射光纖（5)長度為20~40cm，連接光纖（3)長度為15~30mm。錐腰放大結(jié)構(gòu)（2)和 (4)的光纖均采用G. 652單模光纖，長度為350~400um，錐腰放大結(jié)構(gòu)（2)和（4)的直徑 為HOum~170um。羧甲基纖維素膜（6)的制備過程如下：按照2%的質(zhì)量比將羧甲基纖維 素與蒸餾水混合，攪拌均勻后放在磁力攪拌器上，在室溫條件下攪拌一小時使得羧甲基纖 維素完全溶解在蒸餾水中。其鍍膜方式使用浸涂法，在浸涂法鍍膜的過程中，將已制備好的 傳感器結(jié)構(gòu)浸入到濕敏材料的溶液中，15min后將其放入空氣中干燥lh，每層濕敏膜的厚 度為2. 2um。重復(fù)上述過程可以鍍不同層數(shù)的濕敏膜。圖2顯示了涂覆濕敏膜前后的傳感 器的干涉光譜變化實驗圖，可以看出在涂覆濕敏膜之前波長在1500~1590nm范圍內(nèi)該干 涉儀的消光比約為18dB，當涂覆不同層數(shù)的濕敏膜時，消光比發(fā)生變化。
[0023] 本發(fā)明裝置的工作方式為：將濕度傳感器的一端接寬帶光源，另一端接光譜儀。 將傳感器放入到封閉的濕度箱中。當改變濕度箱中的濕度時，對應(yīng)的干涉光譜強度發(fā)生變 化，通過光譜儀來監(jiān)測該傳感器的干涉光譜的變化。圖3顯示了不同濕度情況下涂覆三層 濕敏膜的傳感器的干涉光譜變化實驗圖，隨著相對濕度從70 %增加到85%，強度變化大 概10dB。圖4顯示了涂覆三層數(shù)濕敏膜的傳感器的相對濕度靈敏度擬合圖，靈敏度可以高 達-0. 5507dB/% RH。此外，還涂覆了四層、五層的濕敏膜，實驗證實當涂覆三層濕敏膜時靈 敏度最高。
【主權(quán)項】
1. 一種基于錐腰放大結(jié)構(gòu)涂覆羧甲基纖維素膜的濕度傳感器，其特征在于：由入射光 纖（1)、第一個錐腰放大結(jié)構(gòu)（2)、連接光纖（3)、第二個錐腰放大結(jié)構(gòu)（4)、出射光纖（5)、羧 甲基纖維素膜（6)組成；第一個錐腰放大結(jié)構(gòu)（2)的兩端分別與入射光纖（1)和連接光纖 (3)相連接，第二個錐腰放大結(jié)構(gòu)（4)的兩端分別與連接光纖（3)和出射光纖（5)相連接， 兩個錐腰放大結(jié)構(gòu)（2)和（4)由一段連接光纖（3)連接；兩個錐腰放大結(jié)構(gòu)（2)和（4)和 連接光纖（3)構(gòu)成全光纖馬赫曾德干涉儀；連接光纖（3)表面鍍了羧甲基纖維素膜（6)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于錐腰放大結(jié)構(gòu)涂覆羧甲基纖維素膜的濕度傳感器， 其特征在于：入射光纖（1)、出射光纖（5)和連接光纖（3)均采用G. 652單模光纖，入射光 纖⑴和出射光纖（5)長度為20~40cm，連接光纖（3)長度為15~30mm。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于錐腰放大結(jié)構(gòu)涂覆羧甲基纖維素膜的濕度傳感器， 其特征在于：錐腰放大結(jié)構(gòu)（2)和（4)的光纖均采用G. 652單模光纖，長度為350~400um， 錐腰放大結(jié)構(gòu)（2)和（4)的直徑為140um~170um。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于錐腰放大結(jié)構(gòu)涂覆羧甲基纖維素膜的濕度傳感器， 其特征在于：羧甲基纖維素膜（6)每層的厚度為2. 2um。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于錐腰放大結(jié)構(gòu)(Waist-Enlarged？Fiber？Bitaper？Structure)涂覆羧甲基纖維素膜的濕度傳感器，其特征在于：由入射光纖(1)、第一個錐腰放大結(jié)構(gòu)(2)、連接光纖(3)、第二個錐腰放大結(jié)構(gòu)(4)、出射光纖(5)、羧甲基纖維素膜(6)組成；第一個錐腰放大結(jié)構(gòu)(2)的兩端分別與入射光纖(1)和連接光纖(3)相連接，第二個錐腰放大結(jié)構(gòu)(4)的兩端分別與連接光纖(3)和出射光纖(5)相連接，兩個錐腰放大結(jié)構(gòu)(2)和(4)由一段連接光纖(3)連接；兩個錐腰放大結(jié)構(gòu)(2)和(4)和連接光纖(3)構(gòu)成全光纖馬赫曾德干涉儀；連接光纖(3)表面鍍了羧甲基纖維素膜(6)；本發(fā)明靈敏度高、制作簡單、成本低、結(jié)構(gòu)微小，可以應(yīng)用于各類實際工程中。
【IPC分類】G01N21/45
【公開號】CN105259142
【申請?zhí)枴緾N201510744840
【發(fā)明人】倪凱, 馬啟飛, 黃然
【申請人】中國計量學(xué)院
【公開日】2016年1月20日
【申請日】2015年11月5日