[發明專利]羥乙基纖維素增敏干涉型光纖濕度/溫度同時測量傳感器

在審

• 申請號: 202111183169.1
• 申請日: 2021-10-11
• 公開（公告）號: CN113884212A
• 公開（公告）日: 2022-01-04
• 發明（設計）人: 蒙紅云;董振永
• 申請（專利權）人: 華南師大（清遠）科技創新研究院有限公司
• 主分類號: G01K11/32
• 分類號: G01K11/32;G01N21/45
• 代理公司: 廣州容大知識產權代理事務所(普通合伙) 44326
• 代理人: 潘素云

本發明公開了一種羥乙基纖維素增敏干涉型光纖濕度/溫度同時測量傳感器，包括入射光纖、分束器、干涉臂、合束器和出射光纖；腐蝕處理分束器、干涉臂和合束器，腐蝕后的區域涂覆羥乙基纖維素水凝膠，激發強烈的倏逝場；從入射光纖中進來的光信號經過分束器耦合到干涉臂中，干涉臂傳輸不同模式的光信號，光信號經合束器耦合產生干涉，產生包括多個共振波谷的透射光譜，出射光纖將包括濕度和溫度信息的光信號傳輸到外接的光譜儀中；通過雙波長矩陣解調法追蹤共振波谷的強度變化，最終實現濕度和溫度同時測量。本發明結合了馬赫?曾德干涉儀結構優勢和羥乙基纖維素的強親水性、穩定性好、附著性好的優勢，實現對光纖傳感器的增敏目的。

技術領域

本發明涉及光纖傳感技術領域，具體涉及一種羥乙基纖維素增敏干涉型光纖濕度/溫度同時測量傳感器。

背景技術

實際環境是復雜多樣的，對環境的詳細了解需要對多個物理量進行調查和研究。相對濕度是相同溫度下空氣中的絕對濕度與飽和絕對濕度之比，因此，濕度的監測易受環境溫度的影響。所以，在生物化學、農業、電子、儀器制造、食品加工、醫療和其他領域，同時測量相對濕度和溫度變得越來越重要。傳統的電子式相對濕度和溫度傳感器由于精度高等優點而得到了廣泛的應用。但是，它們很難在諸如強腐蝕物質、強電磁干擾和長距離等復雜環境中使用。光纖傳感器具有抗電磁干擾、高靈敏度、緊湊性、遙感和耐腐蝕的優勢。光纖傳感器在傳感領域被認為是強力候選者，并已得到廣泛研究和應用，例如溫度、相對濕度、折射率、位移、氣體、應變等。如今，研究者已經開發出了各種基于不同傳感原理和結構的光纖傳感器來檢測相對濕度，包括光纖布拉格光柵(FBG)、長周期光柵(LPG)、法布里-珀羅(F-P)光纖傳感器、馬赫-曾德干涉儀(MZI)、邁克爾遜和薩格納克干涉儀、側邊拋磨光纖、微納光纖、以及表面等離振子共振等。光纖濕度傳感器主要由空心光纖、無芯光纖、塑料光纖、保偏光纖和光子晶體光纖等光纖制備而成。但是，這些傳感器存在一定的局限性：微納光纖結構難以制備且非常脆弱；光纖FBG或FP結構制造復雜；光子晶體光纖價格昂貴。光纖傳感器的感應區域主要由光纖組成，光纖的主要材料為二氧化硅，對相對濕度和溫度的敏感性較差。因此，提高測量靈敏度的有效方法是在光纖表面上涂覆敏感材料，例如氧化石墨烯，聚乙烯醇，石墨烯量子點和聚乙烯醇混合物，氧化石墨烯和聚乙烯醇混合物，藻酸鈣水凝膠，碳納米管和聚乙烯醇混合物，SnO₂，聚酰亞胺，殼聚糖，羥乙基纖維素水凝膠，聚甲基丙烯酸甲酯和諾蘭光學膠。研究表明，羥乙基纖維素水凝膠是強親水材料，易于被水分子修飾，羥乙基纖維素水凝膠具有一定的粘性，因此在二氧化硅表面有很強的附著性，容易涂覆在光纖表面，形成的薄膜具備極好的機械性能，同時羥乙基纖維素可以與被測環境較快的達成濕度平衡。羥乙基纖維素吸附水分子的方式主要為物理型附著，相比于化學型附著，這種附著主要是憑借材料分子和水分子二者間范德華力完成，這種附著速率快，可實現多層吸附，吸附熱量少，脫附遲滯短。

當環境溫度變化時，光纖濕度傳感器會受到熱膨脹和熱光效應的影響，從而導致測量誤差。為了保證傳感器的檢測準確性，同時測量溫度和相對濕度是非常重要的。

馬赫-曾德干涉型光纖傳感器通過采用干涉測量法產生相位或強度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。研究表明，強度調制型的馬赫-曾德干涉儀主要通過對分束器和合束器做特殊處理來實現。相位型馬赫-曾德干涉儀主要通過對干涉臂做特殊處理來實現，觀察其透射光譜對待測物理量的響應發現，共振波谷的波長規律性變化的同時，波谷的強度也發生變化。

基于以上，本發明對分束器、合束器、干涉臂的全光纖包層特蝕刻增敏處理，激發出更加強烈的倏逝場，進一步增強傳感器的強度響應，同時使用色散補償光纖作為干涉臂，傳感結構更加緊湊。高靈敏度的馬赫-曾德光纖傳感儀結合羥乙基纖維素的良好吸濕性能，傳感器的靈敏度將會得到進一步的提升。通過監測多個共振波谷的強度變化來同時測量相對濕度和溫度，最后利用雙波長矩陣解調的方法，實現溫度和濕度的同時測量。這種方法靈敏度高，結構多樣，可以滿足多參數測量的需求。

發明內容