[實用新型]一種基于雙錐型細芯單模光纖的透射式光纖濕度傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201320165406.6
• 申請日: 2013-04-03
• 公開（公告）號: CN203287311U
• 公開（公告）日: 2013-11-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周燕;謝江磊;楊韞鐸;張超;徐方芳;李裔;徐賁
• 申請（專利權(quán)）人: 中國計量學(xué)院
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及一種濕度傳感器，尤其涉及一種基于雙錐型細芯單模光纖的透射式光纖濕度傳感器。?

背景技術(shù)

在很多場合，濕度的監(jiān)測與測量是非常重要的，如食品加工、化學(xué)制造和天氣觀測等。傳統(tǒng)的電子式濕度傳感器是基于檢測電阻或電容的變化，在高濕度環(huán)境下存在著電泄漏導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確的缺點。相比于電子式濕度傳感器，光纖濕度傳感器具有很多優(yōu)點，如不受電磁干擾、尺寸小、重量輕，并可應(yīng)用于遙感測量等。目前報導(dǎo)的光纖濕度傳感器是基于特殊處理的光纖，如長周期光柵、光纖布拉格光柵、塑料光纖、光子晶體光纖干涉儀和錐形光纖等。最近吳強提出了一種基于單模-細芯單模-單模光纖結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，該傳感器由一小段表面涂有PEO濕度敏感膜的細芯單模光纖熔接在兩根普通單模光纖之間構(gòu)成，具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低的優(yōu)點。但是，該傳感器僅在濕度75-85％的范圍內(nèi)有較高的靈敏度，在此范圍之外則靈敏度較低。因此，需要對該結(jié)構(gòu)的光纖濕度傳感器進行改造優(yōu)化，使之在較寬的濕度范圍內(nèi)均具有很高的測量靈敏度。?

發(fā)明內(nèi)容

為了改善現(xiàn)有單模-細芯單模-單模光纖結(jié)構(gòu)的濕度傳感器的靈敏度范圍窄的問題，本實用新型在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行了改造，提供了一種基于雙錐型細芯單模光纖的透射式光纖濕度傳感器，該傳感器制備簡單、成本低、濕度測量范圍廣和靈敏度高的優(yōu)點。?

本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種基于雙錐型細芯單模光纖的透射式光纖濕度傳感器，包括第一單模光纖(1)、雙錐型細芯單模光纖(2)、第二單模光纖(3)、和濕度敏感膜(4)四部分。通過對細芯單模光纖錐化處理，提高其測量靈敏度和測量范圍。雙錐型細芯單模光纖(2)的中間錐腰部分的直徑小于兩端未錐化部分的直徑，且在其錐腰部分的表面涂有濕度敏感膜(4)，該敏感膜的折射率隨外界環(huán)境濕度的變化而變化。雙錐型細芯單模光纖(2)包層直徑與第一單模光纖(1)和第二單模光纖(3)的包層直徑相等，且其纖芯直徑小于第一單模光纖(1)和第二單模光纖(3)的纖芯直徑。第一單模光纖(1)、雙錐型細芯單模光纖(2)、第二單模光纖(3)通過光纖熔接機直接熔接在一起，構(gòu)成單模-細芯單模-單模光纖的“三明治”結(jié)構(gòu)。應(yīng)用時，第一單模光纖(1)、第二單模光纖(3)分別與寬帶光源和光纖光譜儀相連。通過分析傳感器透射光譜中特征峰波長的改變量來確定環(huán)境?的相對濕度。?

本實用新型的有益效果是，制備簡單、成本低、濕度測量范圍廣和靈敏度高的特點，且對環(huán)境的溫度變化不敏感。?

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。?

附圖是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。?

圖中1為第一單模光纖，2為雙錐型細芯單模光纖，3為第二單模光纖，4為濕度敏感膜。?

具體實施方式

以下結(jié)合本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作詳細說明：?

本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理如下：?

附圖中，一種基于雙錐型細芯單模光纖的透射式光纖濕度傳感器，將第一單模光纖(1)和細芯單模光纖，細芯單模光纖和第二單模光纖(3)，利用光纖熔接機直接熔接在一起，形成單模-細芯單模-單模光纖的“三明治”結(jié)構(gòu)。然后對中間的細芯單模光纖進行錐化處理，可利用氫氟酸腐蝕或熱拉拔技術(shù)，制備得到具有雙錐型結(jié)構(gòu)的細芯單模光纖(2)，最后在雙錐型細芯單模光纖(2)的錐腰表面涂上濕度敏感膜(4)，如PEO或瓊脂糖等。應(yīng)用時，第一單模光纖(1)和第二單模光纖(3)分別與寬帶光源和光纖光譜儀相連。?

本發(fā)明的工作原理如下：?

寬帶光源發(fā)出的光在第一單模光纖中以基模的形式傳播，在第一單模光纖和雙錐型細芯單模光纖的熔接點，由于芯徑的不匹配，一部分光注入雙錐型細芯單模光纖的包層，激發(fā)高階包層模在包層中傳輸，其有效折射率受濕度敏感膜折射率影響，而濕度敏感膜的折射率隨環(huán)境濕度的變化而發(fā)生變化；另一部分光耦合進雙錐型細芯單模光纖的纖芯，以基模的形式在纖型中傳輸，其有效折射率不受外界濕度的影響。兩部分光經(jīng)中間雙錐型細芯單模光纖的傳輸，在雙錐型細芯單模光纖和第二單模光纖的熔接點處產(chǎn)生干涉，耦合進第二單模光纖。因此該傳感器可以等效為全光纖馬赫-曾德干涉儀，其參考臂和傳感臂分別對應(yīng)雙錐型細芯單模光纖的纖芯和包層。環(huán)境濕度的變化，引起濕度敏感膜的折射率變化，進而導(dǎo)致傳感器的透射光譜特性發(fā)生變化。通過光纖光譜儀測量傳感器透射光譜中特征峰波長的改變量，即可獲得環(huán)境的相對濕度值。應(yīng)用波長解調(diào)的方法，克服了光源光強不穩(wěn)定的影響。對細芯光纖進行錐化處理，使得錐腰部分的直徑較之未錐化的部分細，可以激發(fā)出更多更高階的包層模，且包?層模的有效折射率對濕度敏感膜折射率的變化更敏感，從而提高了傳感器的探測靈敏度和測量范圍。從以上分析可知，傳感器的靈敏度隨著雙錐型細芯單模光纖錐腰部分的長度增大和直徑的減小而增大。另一方面，對于雙錐型細芯單模光纖部分，等效馬赫-曾德干涉儀的參考臂和傳感臂源于同一根光纖，所以該干涉儀有效地削弱溫度對傳感器造成的干擾，具有溫度不敏感的優(yōu)點。?