一種基于錐腰放大結構涂覆羧甲基纖維素膜的濕度傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型提供了一種基于錐腰放大結構涂覆羧甲基纖維素膜的濕度傳感器，屬 于光纖傳感技術領域。
【背景技術】
[0002] 馬赫曾德干涉儀廣泛應用于傳感領域中。它是運用雙光束干涉原理制作而成的。 傳統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生干涉，最后通 過觀測光譜儀中干涉信號的變化來監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、花生等結構可以作為耦合器使原本沿著纖芯傳輸的光一部分進入包層，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的光發生干涉，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、結構微小等 優點。
[0003] 濕度測量的原理是在傳感器的表面結合濕敏材料，外界環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生改變，從而引起干涉光譜的變化。
【發明內容】
[0004] 本實用新型的目的在于提供一種基于錐腰放大結構涂覆羧甲基纖維素膜的濕度 傳感器。該裝置能夠將待測相對濕度的變化量轉化為探測信號的強度漂移量。具有結構簡 單、成本低、結構微小、在高濕度范圍內靈敏度高等特點。
[0005] 本實用新型通過以下技術方案實現：
[0006] -種基于錐腰放大結構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)、第一個錐腰放大結構（2)、連接光纖（3)、第二個錐腰放大結構（4)、出射光纖（5)、 羧甲基纖維素膜（6)組成；第一個錐腰放大結構（2)的兩端分別與入射光纖（1)和連接光 纖（3)相連接，第二個錐腰放大結構（4)的兩端分別與連接光纖（3)和出射光纖（5)相連 接，兩個錐腰放大結構（2、4)由一段連接光纖（3)連接；兩個錐腰放大結構（2、4)和連接光 纖（3)構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構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（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構涂覆羧甲基纖維素膜的濕度傳感器，其特征在于： 錐腰放大結構（2、4)的光纖均采用G. 652單模光纖，長度為350~400um，錐腰放大結構（2、 4)的直徑為140um~170um。
[0009] 所述的一種基于錐腰放大結構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] 本實用新型的工作原理是：當帶寬光源發出的光經過入射光纖進入第一個錐腰放 大結構時，包層模式被激發，一部分光將耦合進入包層，另一部分光將繼續沿著纖芯傳播， 當到達第二個錐腰放大結構時，在包層中傳輸的光將與在纖芯中傳輸的光發生干涉，最后 經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
[0011]
[0012] 其中IJP 12分別是包層模和纖芯模的強度，％是初始相位，P是纖芯模和包層模的 相位差。
[0013]
[0014] 其中Δη#是纖芯模和包層模的有效折射率差，L是兩個錐腰放大結構中間的干 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Α 1"和史發生改變。根據公式（1)可知外界濕度的改變導致 干涉光譜強度的改變，通過監測干涉光譜強度漂移量可以還原待測信號。
[0015] 本實用新型的有益效果是：該濕度傳感器是基于兩個級聯錐腰放大結構的馬赫曾 德干涉儀制作而成的。兩個錐腰放大結構參數基本相同。第一個錐腰放大結構使得輸入光 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；第二個錐腰放大結構使得 在包層中傳輸的光與纖芯中傳輸的光發生干涉。當改變傳感器的外界濕度時，對應的干涉 光譜將會漂移。該傳感器采用全光纖的馬赫曾德干涉儀，穩定性更好，靈敏度更高。
【附圖說明】
[0016] 圖1是本實用新型的基于錐腰放大結構涂覆羧甲基纖維素膜的濕度傳感器示意 圖；
[0017] 圖2是本實用新型的涂覆濕敏膜前后傳感器的干涉光譜變化實驗圖；
[0018] 圖3是本實用新型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是本實用新型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] 下面結合附圖及實施實例對本實用新型作進一步描述：
[0021] 參見附圖1，一種基于錐腰放大結構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)、第一個錐腰放大結構（2)、連接光纖（3)、第二個錐腰放大結構（4)、出 射光纖（5)、羧甲基纖維素膜（6)組成；第一個錐腰放大結構（2)的兩端分別與入射光纖 (1)和連接光纖（3)相連接，第二個錐腰放大結構（4)的兩端分別與連接光纖（3)和出射 光纖（5)相連接，兩個錐腰放大結構（2、4)由一段連接光纖（3)連接；兩個錐腰放大結構 (2、4)和連接光纖（3)構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。錐腰放大結構（2、4) 的光纖均采用G.652單模光纖，長度為350~400um，錐腰放大結構（2、4)的直徑為140um~ 170um。羧甲基纖維素膜（6)的制備過程如下：按照2%的質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構 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。 重復上述過程可以鍍不同層數的濕敏膜。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范圍內該干涉儀的消光比 約為18dB，當涂覆不同層數的濕敏膜時，消光比發生變化。
[0023] 本實用新型裝置的工作方式為：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，對應的干涉光譜強度發 生變化，通過光譜儀來監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。
【主權項】
1. 一種基于錐腰放大結構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)、第一個錐腰放大結構（2)、連接光纖（3)、第二個錐腰放大結構（4)、出射光纖（5)、羧 甲基纖維素膜（6)組成；第一個錐腰放大結構（2)的兩端分別與入射光纖（1)和連接光纖 (3)相連接，第二個錐腰放大結構（4)的兩端分別與連接光纖（3)和出射光纖（5)相連接， 兩個錐腰放大結構（2、4)由一段連接光纖（3)連接；兩個錐腰放大結構（2、4)和連接光纖 (3)構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. 根據權利要求1所述的一種基于錐腰放大結構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. 根據權利要求1所述的一種基于錐腰放大結構涂覆羧甲基纖維素膜的濕度傳感器， 其特征在于：錐腰放大結構（2、4)的光纖均采用G. 652單模光纖，長度為350~400um，錐 腰放大結構（2、4)的直徑為140um~170um。4. 根據權利要求1所述的一種基于錐腰放大結構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】本實用新型提供了一種基于錐腰放大結構(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)、第一個錐腰放大結構(2)、連接光纖(3)、第二個錐腰放大結構(4)、出射光纖(5)、羧甲基纖維素膜(6)組成；第一個錐腰放大結構(2)的兩端分別與入射光纖(1)和連接光纖(3)相連接，第二個錐腰放大結構(4)的兩端分別與連接光纖(3)和出射光纖(5)相連接，兩個錐腰放大結構(2、4)由一段連接光纖(3)連接；兩個錐腰放大結構(2、4)和連接光纖(3)構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)；本實用新型靈敏度高、制作簡單、成本低、結構微小，可以應用于各類實際工程中。
【IPC分類】G01N21/45
【公開號】CN205120585
【申請號】CN201520877026
【發明人】馬啟飛, 倪凱, 黃然
【申請人】中國計量學院
【公開日】2016年3月30日
【申請日】2015年11月5日