[發明專利]一種基于腐蝕光纖包層的馬赫-曾德爾干涉濕度傳感器

在審

• 申請號: 202010693082.8
• 申請日: 2020-07-17
• 公開（公告）號: CN111829986A
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發明（設計）人: 蒙紅云;曾東;譚春華;黃旭光
• 申請（專利權）人: 華南師范大學
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45;G01N21/01
• 代理公司: 廣州容大專利代理事務所(普通合伙) 44326
• 代理人: 潘素云

本發明公開了一種基于腐蝕光纖包層的馬赫?曾德爾干涉濕度傳感器，包括依次連接的入射光纖、分束器、干涉臂、合束器和出射光纖；入射光纖用于輸入光信號，分束器使得從入射光纖中進來的光信號耦合到干涉臂中，干涉臂接受外界環境物理量變化信息，用于形成不同光波傳輸模式的傳輸波導，合束器使得從干涉臂中進來的光信號耦合到出射光纖中；出射光纖用于輸出光信號，并將光信號傳輸到檢測儀器中。本發明對干涉臂部分的單模光纖進行了化學腐蝕處理增強倏逝場效應，光纖腐蝕區域的外表面被氧化石墨烯薄膜包覆以提高傳感器對水分子吸附和解吸附的能力，氧化石墨烯薄膜的有效折射率的變化將調制通過光纖傳播的光，進而達到傳感的目的。

技術領域

本發明提出了一種基于腐蝕光纖包層的馬赫-曾德爾干涉濕度傳感器，屬于光纖傳感技術領域。

背景技術

濕度傳感器由于在食品加工，生物制藥，半導體加工，土木工程，人體呼吸監測等方面的重要應用而引起了極大的關注。因此，要求濕度傳感器能夠快速且準確地檢測環境濕度的變化。然而，當應用于復雜的電磁環境中時，傳統的電化學濕度傳感器在濕度檢測方面有太多的局限性。電化學濕度傳感器的壽命在不同的環境中會有所不同，并且長時間在高濕度條件下，測量精度會降低。與電化學濕度傳感器相比，光纖濕度傳感器具有抗電磁干擾，靈敏度高，成本低，體積小，動態范圍大的優點。

光纖濕度傳感器主要依靠涂有不同濕敏材料的光纖傳感結構來實現濕度測量。吸附和解吸附作用將影響濕敏材料的折射率。根據該解釋，功能化材料與光纖傳感結構相結合可以實現濕度測量。迄今為止，已經基于具有傳感膜涂層的不同配置開發了各種類型的光纖濕度傳感器。這些濕度傳感器使用改性的光纖結構，例如涂覆二硫化鉬的蝕刻單模光纖，涂有二硒化鉬的側邊拋磨光纖，涂有氧化鋅納米棒的包層改性的錐形光纖，涂有還原氧化石墨烯的側面拋磨光纖，填充GQDs-PVA的空心光纖，PVA涂層的光纖長周期光柵，殼聚糖涂層光纖Fabry-Perot傳感器，涂有全氟磺酸膜的單模光纖，涂有羧甲基纖維素的腰部加大錐形接頭，聚酰亞胺涂層的光纖布拉格光柵，二氧化硅/聚合物微纖維結諧振器，石墨烯包覆的錐形光子晶體光纖等。

石墨烯具有獨特的光學特性，例如良好的透明度，表面等離子體激元，光學非線性效應和光伏效應。氧化石墨烯(GO)是石墨烯的衍生物和石墨烯的氧化產物。它是一個單原子層結構，水平范圍從幾十納米到幾十微米不等。氧化石墨烯的基本結構類似于石墨烯，可以認為是大量含氧官能團連接到碳原子層間和邊緣。氧化石墨烯的二維表面和邊緣包含大量的含氧官能團，例如羥基，羧基，環氧化物(主要位于頂表面和底表面)和羰基(主要位于邊緣)，使得氧化石墨烯比石墨烯更活潑。由于這些特性，石墨烯和光纖的組合具有天然的優勢。

馬赫-曾德爾干涉型光纖傳感器通過采用干涉測量法產生相位調制以便獲得較高的靈敏度和分辨率，特別是基于馬赫-曾德爾干涉儀的新型光纖傳感器具有許多優點，例如插入損耗低，制造方法簡單，結構緊湊，成本低。因此，該類型的光纖傳感器被用以測量各類參數，其發展前景相當廣闊。高靈敏度的馬赫-曾德爾光纖傳感儀結合氧化石墨烯的良好吸濕性能，傳感器的靈敏度將會得到進一步的提升。

發明內容

有鑒于此，為了解決現有技術中的上述問題，本發明旨在提供一個低成本、靈敏度高、可重復、穩定性好的光纖濕度傳感器。

本發明通過以下技術手段解決上述問題：

一種基于腐蝕光纖包層的馬赫-曾德爾干涉濕度傳感器，包括：入射光纖、分束器、干涉臂、合束器和出射光纖；干涉臂包括傳感臂和參考臂；入射光纖的輸出端連接分束器輸入端，分束器的兩個輸出端一一對應連接傳感臂和參考臂的輸入端，傳感臂和參考臂的輸出端一一對應連接合束器的兩個輸入端，合束器的輸出端與出射光纖的輸入端連接。

入射光纖，該光纖用于輸入光信號，光信號由寬帶光源發射。

分束器，為直徑125μm、長度10mm的無芯光纖，從入射光纖中進來的光信號經過分束器耦合到干涉臂中。