[實用新型]一種基于甲基纖維素修飾的光子晶體光纖濕度測量傳感器

有效

• 申請號: 201720734808.1
• 申請日: 2017-06-19
• 公開（公告）號: CN207280950U
• 公開（公告）日: 2018-04-27
• 發明（設計）人: 王博文;倪凱;王飄飄
• 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

本實用新型專利提供了一種基于甲基纖維素修飾的光子晶體光纖濕度測量傳感器，屬于光纖傳感領域。

背景技術

光纖傳感器已經被廣泛的應用到光傳感技術領域，例如溫度、應力、折射率和濕度等領域。近年來基于馬赫-曾德的濕度傳感器已經提出很多。研究者通過改變結構和濕敏膜來提高濕度傳感器的靈敏度。很多濕敏膜包括水凝膠，金屬氧化膜，聚合物矩陣等。然而在制作的過程中總是遇到一些問題，例如結構制作復雜，柔韌性差，成本高。對于制備濕敏膜來說，一些濕敏膜具有毒性，溶解困難，或很難修飾在光纖上。因此提出一種柔韌性好的結構和制備簡單的濕敏膜具有重要的研究價值和良好的應用前景。

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。可用于折射率、溫度、濕度等參量的測量。因此一種成本低廉，制作簡單可以測量濕度的新型光纖傳感器被提出。該傳感器由一個短的光子晶體光纖通過坍塌熔接拼接兩標準單模光纖之間形成一個MZI(Mach-Zehnder interferometer)，并在光子晶體光纖表面涂敷甲基纖維素膜。該傳感器通過改變濕度對波長和強度具有不同的響應靈敏度。

實用新型內容

本實用新型的目的是提供一種基于甲基纖維素修飾的光子晶體光纖濕度測量傳感器。該傳感器可以通過強度解調和波長解調實現對濕度的測量，并且具有結構緊湊微小，成本低等優點。

本實用新型通過以下技術實現：

一種基于甲基纖維素修飾的光子晶體光纖濕度測量傳感器，其特征在于：由入射光纖(1)、第一個坍塌空氣孔結構(2)、甲基纖維素膜(3)、光子晶體光纖(4)、第二個坍塌空氣孔結構(5)、出射光纖(6)組成；甲基纖維素膜(3)、光子晶體光纖(4)、第一個坍塌空氣孔結構(2)、第二個坍塌空氣孔(5)構成全光纖馬赫-曾德干涉儀。

一種基于甲基纖維素修飾的光子晶體光纖濕度測量傳感器，其特征在于：入射光纖(1)、出射光纖(6)均可采用G.652單模光纖，光子晶體光纖(4)、第一個坍塌空氣孔結構(2)、第二個坍塌空氣孔結構(5)均采用單模光子晶體光纖(LMA-10，NKT Photo-nics)。

一種基于甲基纖維素修飾的光子晶體光纖濕度測量傳感器，其特征在于：第一個坍塌空氣孔結構(2)、第二個坍塌空氣孔結構(5)長度d均為108.00μm，光子晶體光纖(4)長度l為51.00mm，甲基纖維素膜(3)厚度d_t為2.20μm。

本實用新型的工作原理是：

光纖傳感器結構由一個短的表面涂敷甲基纖維素膜的光子晶體光纖通過坍塌熔接拼接兩標準單模光纖之間組成，在輸入光纖中傳輸的光經過第一個倒塌的空氣孔結構，單模光纖中的光進入包層，包層模式將激發并傳播在光子晶體光纖包層區域，當光子晶體光纖的包層的光達到濕敏膜區域，濕敏膜結構可以提高傳輸光的倏逝場穿透深度范圍，使得在傳輸區域傳輸的光更易受到外界環境的影響，有效地提高測量靈敏度，當兩束光到達第二個坍塌空氣孔結構時，此時第二個坍塌空氣孔結構起到耦合器的作用，使得包層中傳輸的光進入纖芯與纖芯中傳輸的光發生干涉。即在光譜儀上顯示干涉光譜，其干涉光強度分布的公式為：

其中I_core和I_cladding分別為在纖芯與在包層中傳輸的光的光強，Φ₀是初始相位，Φ是纖芯模與包層模的相位差。其中Δ_neff是纖芯與包層之間的有效折射率差，λ為工作波長，L是干涉長度。當相位差Φ＝(2m+1)π時，m＝0，1，2，3，...，就會產生強度最低時的波長，其表達式為

隨著外界濕度的變化，涂敷在光纖端面的甲基纖維素膜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，使得Δn_eff發生變化，因為外界環境的改變不會影響纖芯的有效折射率，而會直接影響包層的有效折射率，這說明λ_m隨著外界濕度的變化而變化。因此可通過監測波長變化測量濕度的變化。同時隨著濕度的變化，有效折射率差Δn_eff影響相位差Φ的變化，由干涉光強度分布的公式可知Φ影響了光強I的變化，因此可以通過光強強度的變化來監測外界濕度的變化。

附圖說明

圖1是一種基于甲基纖維素修飾的光子晶體光纖濕度測量傳感器結構示意圖

圖2是不同濕度下的透射光譜圖

圖3是波長漂移量與濕度的關系圖

圖4是強度漂移量與濕度的關系圖