[發明專利]一種游標增敏的半填充聚酰亞胺光纖FPI濕度傳感器

在審

• 申請號: 202110731287.5
• 申請日: 2021-06-29
• 公開（公告）號: CN113281303A
• 公開（公告）日: 2021-08-20
• 發明（設計）人: 楊文龍;隋成旭;楊玉強
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 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

本發明提供了一種游標增敏的半填充聚酰亞胺光纖FPI濕度傳感器。該傳感器包括單模光纖、石英管和聚酰亞胺，將單模光纖與石英管進行熔接后對石英管進行特定長度的切割，同時在石英管一側開孔，使其與外界空氣連通。再在石英管末端填充一定厚度的聚酰亞胺，從而形成三面反射式，且具有游標效應的濕度傳感器，有效提高了測量濕度的靈敏度，大大縮短了傳感器的響應時間。本發明具有體積小、易于操作、靈敏度高等優點，具有廣泛應用前景。

技術領域

本發明涉及一種游標增敏的半填充聚酰亞胺光纖FPI濕度傳感器。

技術背景

基于法布里—珀羅干涉原理制備的光纖傳感器已經被廣泛應用于多個領域，當它被應用于濕度監測時，我們一般采用低精細度F-P傳感腔，即直接或間接地在平整的光纖端部涂敷一層濕度敏感材料來充當反射鏡，光纖F-P相對濕度傳感器除了擁有其它光纖相對濕度傳感器的優點外，還具備傳感原理簡單、易制備、高靈敏度及成本低等優點。當濕度敏感膜與水分子發生相互作用的時候，干涉譜的光信號(如強度、波長、相位等)會隨著外界環境濕度的改變而發生變化，我們一般是通過解調光波長的變化與環境濕度建立聯系，從而獲得相對應的濕度信息。制備聚酰亞胺(Polyimide，簡稱PI)是含有酰亞胺基團的有機高分子，折射率約為1.70，由于具有可線性膨脹、成膜性好、耐熱性高，機械性能優良及能在復雜的化學環境中穩定存在等優點，已經成為了目前最受歡迎的濕度敏感材料之一。

發明內容

本發明是為了解決現有的濕度傳感器精度低、靈敏度較低、結構復雜的問題，現提供基于半填充和游標效應的光纖濕度傳感器。

基于半填充和游標效應的光纖濕度傳感器，它包括單模光纖(31)，石英管 (32)和聚酰亞胺填充物(33)；首先將石英管(32)和單模光纖(31)進行熔接，形成第一反射面(311)，另一端填充適當長度的聚酰亞胺，形成第二反射面(312)，聚酰亞胺填充物(33)末端與空氣之間形成第三反射面(313)。其中，反射面M1(311)與反射面M2(312)組成空氣法布里—珀羅(Fabry-Perot， FP)腔，腔長為L₁(321)，反射面M2(312)與反射面M3(313)組成的聚酰亞胺FP腔，腔長為L₂(322)，接下來使用砂紙將石英腔側面打磨出兩個小孔 (34)使腔內有空氣進入，由此提高傳感器的靈敏度與縮短響應時間。由于空氣 FP腔與聚酰亞胺FP腔的光程差近似相等產生了光學游標效應，進而形成了一個具有游標效應的光纖濕度傳感器。

基于半填充和游標效應的光纖濕度傳感器的腔內濕度H發生改變時，將會導致腔內折射率n發生改變，此時的變化量為△n，進而使干涉包絡發生平移，此時平移量為△s。

寬帶光源(1)所發出的光信號經環形器(2)進到傳感頭，入射光會依次經過三個反射面，由于反射面的折射率失配，部分入射光會反射回來。所以第一反射面(311)和第二反射面(312)會形成一個空氣腔，腔長為L₁(321)；第二反射面(312)和第三反射面(313)形成一個聚酰亞胺腔，腔長為L₂(322)。其中，第一反射面(311)反射回來的光復振幅為E₁，第二反射面(312)反射回來的光復振幅為E₂，第三反射面(313)反射回來的光復振幅為E₃。反射光E₁、 E₂和E₃發生干涉，經過環形器(2)被光譜儀(3)接收，顯示出傳感器的干涉光譜。

所述的基于半填充和游標效應的光纖濕度傳感器的預設溫度為T＝22T℃。

所述的基于半填充和游標效應的光纖濕度傳感器的濕度與折射率之間的關系公式為：

所述的基于半填充和游標效應的光纖濕度傳感器的折射率變化△n與干涉譜平移△s關系公式為：

Δn＝α·Δs (2)