[發明專利]一種基于PVA濕敏材料的細芯邁克爾遜干涉儀的折射率傳感器

在審

• 申請號: 201710017330.5
• 申請日: 2017-01-09
• 公開（公告）號: CN106770044A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 倪凱;馬啟飛;楊介偉
• 申請（專利權）人: 中國計量大學
• 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

技術領域

本發明提供一種基于聚乙烯醇(PVA，polyvinyl alcohol)濕敏材料的細芯(TCF，thin core fiber)邁克爾遜干涉儀(MI，the michelson interferometer)的折射率傳感器，屬于光纖傳感技術領域。

背景技術

光纖折射率傳感器作為光纖傳感器的一種已經吸引了廣泛的注意，由于它具有結構微小，靈敏度高，容易制造等優勢。近些年來，光纖折射率傳感器基于SPR(Surface Plasmon Resonance)，包層腐蝕，細錐結構，光纖光柵等已經被提出，在這些不同的結構類型中基于細芯光纖的傳感器占了一部分，例如在細芯光纖上刻蝕腐蝕細芯光纖等。盡管這些方法都一定程度的提高了折射率的靈敏度，但是仍然存在一些方面的缺陷。例如基于光纖光柵的結構存在溫度交叉靈敏度溫度，基于錯位的結構柔韌性很差，還有一些需要化學腐蝕的處理過程，都增加了制作過程中的困難。為解決以上問題一類新型的高折射率傳感器被提出，這種傳感器具有成本低、容易制作，對溫度不敏感，既可以進行波長解調又可以進行強度解調等優點。

一種基于模式激發細芯光纖的高折射率傳感器可以實現纖芯模與包層模的模式干涉，并且該傳感器不存在二級的干涉譜，不需要電腦進行數據的過濾。當使用該傳感器對外界環境折射率進行測量時，每當改變外界折射率時都會使干涉條紋發生漂移，反射譜的波長和強度也會相應發生改變，通過對反射譜的波長或強度進行解調，可以實現折射率的測量，外界溫度從25℃增加到90℃，反射譜的波長和強度沒有明顯變化，因此該傳感器是溫度不敏感的折射率傳感器。

為了獲得較大的測量范圍，提高隨著外界折射率改變干涉波譜的強度，近幾年來，許多基于PVA濕敏材料的濕度傳感器已經被提出。2011年Zhao等人提出一種基于單模+多模+單模結構，涂敷了PVA，濕度靈敏度在50％RH-89％RH(refractory hypertension)范圍內靈敏度為0.16nm/％RH；2012Liang等人提出一種基于腐蝕的高雙折射率環鏡結構，該結構涂敷了PVA濕敏材料，在濕度范圍為20％RH-80％RH范圍內靈敏度達到了0.98nm/％RH，響應時間小于6s；2012年Weichang Wong等人提出一種基于PCF(photonic crystal fib)端面高級次包層模激發的邁克爾遜結構，該結是在端面鍍上了PVA，在高濕度區域靈敏度可以達到0.6nm/％RH；2012年Alwis等人提出一種基于LPG(long-period fiber gratings)的邁克爾遜結構，經過涂敷PVA，濕度范圍為40％RH-85％RH，靈敏度為0.6nm/％RH；2015年Jingyi Yang等人將PVA涂敷在TFBG(tilted fiber bragg grating)的表面，濕度在20％RH-86％RH范圍內，靈敏度為～1.80μW/％RH。從這些研究結果可以看出PVA濕敏膜是很好的折射率-外界濕度的轉換器。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于PVA濕敏材料的細芯邁克爾遜干涉儀的折射率傳感器裝置，通過光纖表面涂敷PVA作為外界環境與折射率的轉換器，將所要測量的濕度轉化為對折射率的測量，通過折射率的變化量再轉化為探測信號的波長漂移量。具有結構簡單、成本低、靈敏度較高等特點。

本發明通過以下方案實現：

一個基于邁克爾遜干涉儀的細芯光纖的高靈敏度的折射率傳感器由普通光纖(SMF，single mode fiber)(1)、一段細芯光纖(2)、微弧區域(3)和PVA薄膜(4)組成。圖1是該邁克爾遜干涉儀的結構示意圖(最外層為PVA薄膜)，其中單模光纖(1)、細芯光纖(2)均可采用G.652單模光纖，細芯光纖(2)的纖芯和包層直徑分別為4.00μm和124.50μm，細芯光纖(2)的長度L約為3.00mm，微弧區域(3)的長度l為45.08μm。接下來是涂敷PVA工作，光纖結構固定在浸涂鍍膜機上將去除光學表面的殘留有機物并干燥后的光纖端面侵入PVA溶液，使光纖端面形成均勻的濕敏膜。最后，得到一種基于PVA濕敏材料的細芯邁克爾遜干涉儀的折射率傳感器結構。