[發明專利]一種基于Chitosan的邁克爾遜光纖濕度傳感器

在審

• 申請號: 201710040266.2
• 申請日: 2017-01-19
• 公開（公告）號: CN106596471A
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發明（設計）人: 倪凱;馬啟飛;陳姿姿
• 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

本發明提供了一種基于Chitosan的邁克爾遜光纖濕度傳感器，屬于光纖傳感技術領域。

背景技術

光纖濕度傳感器相對于傳統的濕度傳感器具有很多優勢，例如體積小，靈敏度高，柔韌性好，可以進行非接觸式的測量等優點。光纖濕度傳感器已經在工業上廣泛的應用，例如應用在結構健康監測上，食品儲存上，醫療應用上等多方面。評定一個光纖濕度傳感器的好壞需要通過一些參量的測評，包括靈敏度，精確度，響應時間，目標濕度范圍，時滯回差，溫度和其他化學交叉靈敏度等因素。光纖濕度傳感器主要包括兩方面：一方面是傳感器的光纖結構，另一方面是傳感器的濕敏膜。近些年來，越來越多的人們在光纖表面沉積一層薄膜來提高傳感器的傳感特性。這類傳感器具有成本低、容易制作、使結構的折射率的測量范圍隨著外界環境的改變而改變等優點。

邁克爾遜干涉儀是一種重要的光纖干涉儀，其結構分兩種，一種是在一段單模光纖中間熔接出一個結構，該結構可以激發出包層模，同時光纖的端面可以鍍高反射率的銀，可將激發出的包層模反射回到纖芯中與纖芯中傳輸的光發生干涉，或者可將光纖端面熔接出一些特殊結構，可以激發更高級次的包層模。第二種結構是將一段單模光纖與特種光纖熔接在一起，利用單模光纖與特種光纖的纖芯直徑不匹配的原理激發出包層模。該結構折射率靈敏度很高，可進行波長和強度的雙解調。

Chitosan是一種半透明的多糖聚合物，含有羥基和氨基的氣孔結構。這些功能鍵可以增加對水分子的吸收，通過與水蒸汽分子形成氫鍵。同時由于其氣孔結構當外界環境濕度增加時，水分子會進去氣孔結構內，那么隨著濕度的增加導致濕敏膜的膨脹。且該濕敏膜在波長范圍為300-2700nm時，幾乎對光沒有吸收，因此濕敏膜可以作為一種高反射率的隔膜。它對外界的濕度變化有著敏感的特性。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于Chitosan的邁克爾遜光纖濕度傳感器。該裝置成本低，便于制作，可以使原本結構對于濕度的測量范圍增大，并且隨著外界濕度的改變從而使干涉光譜的強度改變得到提高。

本發明通過以下技術實現：

所述的一種基于Chitosan的邁克爾遜光纖濕度傳感器，其特征在于：由單模光纖(1)、細芯光纖(2)、微弧端面(3)、Chitosan濕敏膜(4)組成；單模光纖(1)與細芯光纖(2)一端熔接在一起，細芯光纖(2)另一端通過放電形成微弧端面(3)，Chitosan濕敏膜(4)涂敷在細芯光纖(2)、微弧端面(3)表面。

所述的一種基于Chitosan的邁克爾遜光纖濕度傳感器，其特征在于：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4μm和124.5μm，細芯光纖(2)的長度L為2mm，微弧端面(3)的長度l為45.08μm。

該濕度傳感器的結構是基于細芯光纖端面激發高階包層模式的邁克爾遜結構。

本發明的工作原理為：在單模光纖1纖芯中的傳輸的基模到達第一個熔接點時分束并激發出一部分細芯光纖2的包層模，微弧端面3激發出更高級次的包層模，在細芯光纖2表面涂敷Chitosan，那么Chitosan作為外界環境與折射率的轉換器。當外界環境比較潮濕的時候，涂敷在光纖端面的Chitosan會吸收外界環境中的水分子，使濕敏膜膨脹從而改變它的折射率，影響了包層模式的有效折射率。當纖芯模與包層模在第一個熔接點耦合在一起時，具有一定的相位延遲，從而實現纖芯模與包層模的模式干涉。

該邁克爾遜干涉儀的干涉公式為：

其中E₁和E₂分別是基模和激發的包層模的大小，Δn是包層模和纖芯的有效折射率差，l₁是L的二倍，λ是工作波長，φ是初始相位。

本發明的有益效果是：使用了一種將Chitosan涂覆在光纖的端面測外界濕度的簡單有效方法。基于邁克爾遜結構，細芯光纖微弧端面增加了包層膜的反射時的入射角度并且激發出更高級次的包層膜式，從而產生附加的相位差，進一步實現基膜與包層膜的干涉。同時根據Chitosan的濕敏特性，當外界環境濕度增加時，其折射率將會減小，從而導致細芯模與光纖包層模式的有效折射率減小，導致干涉強度增加。在濕度變化過程中，Chitosan濕敏膜具有很高的靈敏度和分辨率，同時隨著外界濕度增加和減小，兩個干涉強度之間具有相對較小的時滯回差。也就是該傳感器具有高濕度靈敏度、分辨率。

附圖說明

下面結合附圖及實施實例對本發明作進一步描述：