聚乙烯醇增敏马赫-曾德干涉湿度和温度同时测量传感器

聚乙烯醇增敏马赫
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曾德干涉湿度和温度同时测量传感器
技术领域
1.本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种聚乙烯醇增敏马赫
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曾德干涉湿度和温度同时测量传感器。


背景技术：

2.实际环境是复杂多样的，对环境的详细了解需要对多个物理量进行调查和研究。相对湿度是相同温度下空气中的绝对湿度与饱和绝对湿度之比，受环境温度的影响。因此，在生物化学，农业，电子，仪器制造，食品加工，医疗和其他领域，同时测量相对湿度和温度变得越来越重要。传统的电子式相对湿度和温度传感器由于精度高等优点而得到了广泛的应用。但是，它们很难在诸如强腐蚀物质，强电磁干扰和长距离等复杂环境中使用。光纤传感器具有抗电磁干扰，高灵敏度，紧凑性，遥感和耐腐蚀的优势。光纤传感器在传感领域被认为是强力候选者，并已得到广泛研究和应用，例如温度，相对湿度，折射率，位移，气体，应变等。如今，研究者已经开发出了各种基于不同传感原理和结构的光纤传感器来检测相对湿度，包括光纤布拉格光栅(fbg)、长周期光栅(lpg)、法布里
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珀罗(f
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p)光纤传感器、马赫
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曾德干涉仪(mzi)、迈克尔逊和萨格纳克干涉仪、侧抛光光纤、微纳光纤、以及表面等离振子共振等。一些湿度传感器由空心光纤，无芯光纤、塑料光纤、保偏光纤和光子晶体光纤制备。但是，这些传感器存在一定的局限性：微纳光纤结构难以制备且非常脆弱；光纤fbg或fp结构制造复杂；光子晶体光纤价格昂贵。光纤传感器的感应区域主要由光纤组成，光纤的主要材料为二氧化硅，对相对湿度和温度的敏感性较差。因此，提高测量灵敏度的有效方法是在光纤表面上涂覆敏感材料，例如氧化石墨烯，聚乙烯醇，石墨烯量子点和聚乙烯醇混合物，氧化石墨烯和聚乙烯醇混合物，藻酸钙水凝胶，碳纳米管和聚乙烯醇混合物，sno2，聚酰亚胺，壳聚糖，聚甲基丙烯酸甲酯和诺兰光学胶。研究表明，聚乙烯醇是强亲水材料，易于被水分子修饰，聚乙烯醇在二氧化硅表面有很强的附着性，容易涂覆在光纤表面，其薄膜具备极好的机械性能，同时聚乙烯醇可以与被测环境较快的达成湿度平衡。聚乙烯醇吸附水分子的主要为物理型附着，相比于化学型附着，这种附着主要是凭借材料分子和水分子二者间范德华力完成，这种附着速率快、可实现多层吸附、吸附热量少、脱附迟滞短。
3.当环境温度变化时，光纤湿度传感器会受到热膨胀和热光效应的影响，从而导致测量误差。为了保证传感器的检测准确性，同时测量温度和相对湿度是非常重要的。近年来，光纤湿度和温度传感器通过级联多个干涉仪来实现湿度和温度的同时测量(simultaneous measurement of temperature and relative humidity by compact mach
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zehnder interferometer and fabry
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perot interferometer,measurement155,107499(2020))。通过级联多个干涉仪能够实现温湿度的同时测量，但传感结构制作较为复杂，制作双侧纤芯偏移结构时的对称性难以保证，所测温湿度范围及湿度灵敏度也有所欠缺。
4.马赫
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曾德干涉型光纤传感器通过采用干涉测量法产生相位调制以便获得较高的灵敏度和分辨率，特别是基于马赫
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曾德干涉仪的新型光纤传感器具有许多优点，例如插入
损耗低，制造方法简单，结构紧凑，成本低。因此，该类型的光纤传感器中被用以测量各类参数，其发展前景相当广阔。


技术实现要素：

5.有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明旨在提供一个低成本、易制备、结构紧凑、多参数测量、灵敏度高的光纤湿度和温度同时测量传感器。本发明利用单侧纤芯偏移避免了双侧纤芯偏移难以对称的问题，传感器结构更加紧凑，同时高灵敏度的马赫
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曾德光纤传感仪结合聚乙烯醇的良好吸湿性能，传感器的灵敏度将会得到进一步的提升。通过监测多个共振波谷的光谱变化来同时测量相对湿度和温度，最后利用双波长矩阵解调的方法，实现温度和湿度的同时测量。这种方法灵敏度高，结构多样，可以满足多参数测量的需求。
6.本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
7.聚乙烯醇增敏马赫
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曾德干涉湿度和温度同时测量传感器，包括入射光纤、分束器、干涉臂、聚乙烯醇薄膜、合束器和出射光纤；
8.干涉臂包括第一干涉臂和第二干涉臂；入射光纤的输出端连接分束器输入端，分束器的两个输出端一一对应连接第一干涉臂和第二干涉臂的输入端，第一干涉臂和第二干涉臂的输出端分别对应合束器的两个输入端，合束器的输出端与出射光纤的输入端连接，聚乙烯醇薄膜涂覆于干涉臂上；
9.入射光纤用于输入光信号，分束器使得从入射光纤中进来的光信号经过分束器耦合到干涉臂中，干涉臂受温度和湿度的影响包层有效折射率发生变化，光信号在合束器处产生干涉，进而产生包括多个共振波谷的透射光谱，从干涉臂中进来的光信号经合束器耦合到出射光纤中，出射光纤将包括湿度和温度信息的光信号传输到外接的光谱仪中，通过双波长矩阵解调法追踪共振波谷的波长漂移，实现湿度和温度同时测量。
10.进一步地，所述入射光纤为单模光纤，输入端连接外接的宽带光源，将宽带光源的输出光由单模光纤中的纤芯传输进来。
11.进一步地，所述分束器主要由单模光纤和色散补偿光纤纤芯偏移构成，用于将由入射光纤中的纤芯传输进来的光分束。
12.进一步地，所述干涉臂为长度为5
‑
15mm、直径105
‑
115μm的色散补偿光纤，包括第一干涉臂和第二干涉臂；其中，第一干涉臂为色散补偿光纤中的包层，第二干涉臂为色散补偿光纤中的纤芯；第一干涉臂与第二干涉臂的长度相等。
13.进一步地，将以干涉臂的中间位置为中心，直径5
‑
8mm区域的包层，经过30
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40％浓度的氢氟酸溶液化学腐蚀5
‑
20分钟，使其厚度减小10
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20μm，形成锥形光纤区域，锥形光纤区域的色散补偿光纤直径为90
‑
100μm；激发干涉臂中色散补偿光纤的高阶包层模式(lp
10
)，高阶包层模式具有更小的折射率，对外界环境的感知更加敏感；同时增加倏逝场，使得周围环境湿度的变化引起光纤倏逝场的改变，并在锥形光纤区域的光纤表面涂覆聚乙烯醇薄膜，用于提高对水分子的吸附与解吸附，进而增强干涉臂对相对湿度变化的感知；聚乙烯醇薄膜吸附水分子，其自身折射率会发生变化，紧密附着在光纤表面上的聚乙烯醇和光纤看作是混合波导，因此光纤的有效折射率会受到影响；一系列变化最终反映了光纤透射光谱的可见实时的波长漂移。
14.进一步地，所述合束器为长度为1
‑
3mm、直径120
‑
125μm的无芯光纤。
15.进一步地，所述出射光纤为单模光纤，输出端连接外接的光谱仪获得包括有传感信息的透射光谱。
16.进一步地，所述分束器通过单模光纤和色散补偿光纤错位熔接构成，单模光纤和色散补偿光纤的纤芯偏移距离为8
‑
10μm，单侧纤芯偏移用于避免双侧纤芯偏移对称性难以保证的问题。
17.进一步地，传感器输出的光信号的强度和相位差如下：
[0018][0019][0020]
i
core
和i
cladding
分别是第一干涉臂和第二干涉臂中的光强度，i是传感器输出的光信号的强度；l是干涉臂的长度，δn
eff
是干涉臂的芯层和包层之间的有效折射率差；λ是光的波长；是相位差，等式中的等于(2m+1)π，m阶模式透射输出谱的波谷波长表示为：
[0021][0022]
当δn
eff
变化时，共振波谷的波长将发生偏移。
[0023]
进一步地，追踪两个共振波谷λ
dip1
和λ
dip2
的波长漂移，获得灵敏度系数矩阵，利用双波长矩阵解调方法实现同时测量湿度和温度，具体如下：
[0024][0025]
δrh和δt分别表示湿度和温度的变化量，a，c和b，d分别是共振波谷λ
dip1
和λ
dip2
的湿度和温度灵敏度系数，δλ
dip1
和δλ
dip2
分别表示共振波谷λ
dip1
和λ
dip2
波长变化量。
[0026]
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
[0027]
本发明是基于马赫
‑
曾德干涉仪，通过调制干涉臂光纤包层、纤芯的光传播状态，引起输出光的相位差变化，通过探测输出透射光谱中的波长漂移可以反推外部环境的相对湿度变化。利用单侧纤芯偏移作为分束器，合束器为无芯光纤，避免了双侧纤芯偏移难以保证对称性的问题，制造更加简单。在传感器结构中，分束器将使光束分别进入干涉臂光纤的纤芯和包层。干涉臂经过化学处理包层直径减小，激发了干涉臂光纤高阶包层模式(lp
10
)，高阶包层模式具有更小的折射率，经过该区域的光形成倏逝场，与外界环境变化的交互更为敏感。为进一步提高灵敏度，在干涉臂锥形区域的光纤表面涂覆聚乙烯醇，这将有助于感知外部相对湿度的变化。当聚乙烯醇薄膜表面的官能团吸附水分子时，聚乙烯醇薄膜有效折射率发生改变将影响相邻光纤包层的折射率。光纤折射率的变化将影响传播光束的相位并最终反映透射谱中的波长漂移响应，可用于检测相对湿度。利用监测多个共振波谷的波长漂移响应，解调灵敏度系数矩阵，实现温度和湿度的双参数同时测量。
[0028]
本发明结合了马赫
‑
曾德干涉仪结构优势和聚乙烯醇的强亲水性、稳定性好、附着性好的优势，具有低成本、结构简单、高灵敏度、高稳定性、多参数测量等特点。
附图说明
[0029]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0030]
图1是本发明实施例聚乙烯醇增敏马赫
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曾德干涉湿度和温度同时测量传感器的传感头结构示意图；
[0031]
图2是本发明实施例聚乙烯醇增敏马赫
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曾德干涉湿度和温度同时测量传感器在不同相对湿度下的透射谱示意图；
[0032]
图3是本发明实施例聚乙烯醇增敏马赫
‑
曾德干涉湿度和温度同时测量传感器透射光谱监测波谷的中心波长与相对湿度变化的关系及其线性拟合示意图；
[0033]
图4是本发明实施例聚乙烯醇增敏马赫
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曾德干涉湿度和温度同时测量传感器在不同温度下的透射谱示意图；
[0034]
图5是本发明实施例聚乙烯醇增敏马赫
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曾德干涉湿度和温度同时测量传感器透射光谱监测波谷的中心波长与温度变化的关系及其线性拟合示意图。
具体实施方式
[0035]
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施作进一步详细的说明，但本发明的实施和保护范围不限于此，对本发明作实质相同的等同替换均属于本发明的保护范围。
[0036]
实施例：
[0037]
聚乙烯醇增敏马赫
‑
曾德干涉湿度和温度同时测量传感器，如图1所示，包括入射光纤1、分束器2、干涉臂3、聚乙烯醇薄膜4、合束器5和出射光纤6；
[0038]
干涉臂3包括第一干涉臂31和第二干涉臂32；入射光纤1的输出端连接分束器2输入端，分束器2的两个输出端一一对应连接第一干涉臂31和第二干涉臂32的输入端，第一干涉臂31和第二干涉臂32的输出端分别对应合束器5的两个输入端，合束器5的输出端与出射光纤6的输入端连接，聚乙烯醇薄膜4涂覆于干涉臂3上；
[0039]
入射光纤1用于输入光信号，分束器2使得从入射光纤1中进来的光信号经过分束器2耦合到干涉臂3中，干涉臂3受温度和湿度的影响包层有效折射率发生变化，光信号在合束器5处产生干涉，进而产生包括多个共振波谷的透射光谱，从干涉臂3中进来的光信号经合束器5耦合到出射光纤6中，出射光纤6将包括湿度和温度信息的光信号传输到外接的光谱仪中，通过双波长矩阵解调法追踪共振波谷的波长漂移，实现湿度和温度同时测量。
[0040]
入射光纤1为单模光纤，输入端连接外接的宽带光源，将宽带光源的输出光由单模光纤中的纤芯传输进来。
[0041]
分束器2主要由单模光纤和色散补偿光纤纤芯偏移构成，用于将由入射光纤1中的纤芯传输进来的光分束。
[0042]
本实施例中，分束器2通过单模光纤和色散补偿光纤错位熔接构成，单模光纤和色散补偿光纤的纤芯偏移距离为9.4μm，，单侧纤芯偏移用于避免双侧纤芯偏移对称性难以保证的问题。
[0043]
本实施例中，干涉臂3为长度为10mm、直径110μm的色散补偿光纤(4.5/110μm)，包
括第一干涉臂31和第二干涉臂32；其中，第一干涉臂31为色散补偿光纤中的包层，第二干涉臂32为色散补偿光纤中的纤芯；第一干涉臂31与第二干涉臂32的长度相等。
[0044]
本实施例中，将以干涉臂3的中间位置为中心，直径6mm区域的包层，经过40％浓度的氢氟酸溶液化学腐蚀10分钟，使其厚度减小13.55μm，形成锥形光纤区域，锥形光纤区域的色散补偿光纤直径为96.45μm，激发干涉臂3中色散补偿光纤的高阶包层模式(lp
10
)，高阶包层模式具有更小的折射率，对外界环境的感知更加敏感；同时增加倏逝场，使得周围环境湿度的变化引起光纤倏逝场的改变，并在锥形光纤区域的光纤表面涂覆聚乙烯醇薄膜4，用于提高对水分子的吸附与解吸附，进而增强干涉臂3对相对湿度变化的感知；聚乙烯醇薄膜4吸附水分子，其自身折射率会发生变化，紧密附着在光纤表面上的聚乙烯醇和光纤看作是混合波导，因此光纤的有效折射率会受到影响；一系列变化最终反映了光纤透射光谱的可见实时的波长漂移。
[0045]
本实施例中，合束器5为长度为2mm、直径125μm的无芯光纤。
[0046]
进一步地，所述出射光纤6为单模光纤，输出端连接外接的光谱仪获得包括有传感信息的透射光谱。
[0047]
进一步地，传感器输出的光信号的强度和相位差如下：
[0048][0049][0050]
i
core
和i
cladding
分别是第一干涉臂31和第二干涉臂32中的光强度，i是传感器输出的光信号的强度；l是干涉臂3的长度，δn
eff
是干涉臂3的芯层和包层之间的有效折射率差；λ是光的波长；是相位差，等式中的等于(2m+1)π，m阶模式透射输出谱的波谷波长表示为：
[0051][0052]
当δn
eff
变化时，共振波谷的波长将发生偏移。
[0053]
本实施例中，在相对湿度测量实验中，将光纤湿度传感器放入封闭的恒温恒湿箱内，温度保持在25℃条件下，光纤温湿度传感器输入端连接宽带光源，输出端连接光谱仪。通过控制调节恒温恒湿箱内的相对湿度，获取光纤湿度传感器的输出光谱变化检测相对湿度变化。如图2所示，在实验室环境下，恒温恒湿箱中从湿度为30％增加到95％。很明显观察到共振波谷的波长漂移。随着相对湿度的增加，聚乙烯醇薄膜会吸收更多的水分子。由于聚乙烯醇与光纤包层紧密接触，光纤包层的有效折射率也会受到影响，部分包层模式被改变最终导致透射光谱向长波方向移动。第一共振波谷a的波长从1542nm移动到1557.86nm，第二共振波谷b的波长从1556.42nm移动到1572.18nm。如图3所示，其中离散点表示的是监测第一共振波谷a和第二共振波谷b的波长变化，实线表示相对应的线性拟合。可以看出，在相对湿度范围为30％
‑
95％的湿度范围内，第一共振波谷a的灵敏度为0.256nm/％rh，线性相关系数为99％；第二共振波谷b的灵敏度为0.248nm/％rh，线性相关系数为99％。
[0054]
本实施例中，在温度测量实验中，将光纤温湿度传感器放入封闭的恒温恒湿箱内，
相对湿度保持在60％条件下，光纤温湿度传感器输入端连接宽带光源，输出端连接光谱仪。通过控制调节恒温恒湿箱内的温度，获取光纤温湿度传感器的输出光谱变化检测温度变化。如图4所示，在实验室环境下，恒温恒湿箱中从温度从20℃增加到80℃。很明显观察到共振波谷的波长漂移。如图5所示，其中离散点表示的是监测第一共振波谷a和第二共振波谷b的波长变化，实线表示相对应的线性拟合。可以看出，在20℃
‑
80℃的温度范围内，第一共振波谷a的灵敏度为0.153nm/℃，线性相关系数为99％；第二共振波谷b的灵敏度为0.154nm/％rh，线性相关系数为99％。
[0055]
可见，当外界湿度和温度同时变化时，共第一共振波谷a和第二共振波谷b的波长都在改变，湿度和温度的改变量为：
[0056][0057]
通过上式可以得到湿度和温度的各自表达式，从而可以实现湿度和温度的同时测量。
[0058]
本发明是基于马赫
‑
曾德干涉仪，通过调制干涉臂光纤包层、纤芯的光传播状态，引起输出光的相位差变化，通过探测输出透射光谱中的波长漂移可以反推外部环境的相对湿度变化。利用单侧纤芯偏移作为分束器，合束器为无芯光纤，避免了双侧纤芯偏移难以保证对称性的问题。在传感器结构中，分束器将使光束分别进入干涉臂光纤的纤芯和包层。干涉臂经化学蚀刻处理包层直径减小，激发了干涉臂光纤高阶包层模式(lp
10
)，高阶包层模式具有更小的折射率，经过该区域的光形成倏逝场，与外界环境变化的交互更为敏感。为进一步提高灵敏度，在干涉臂锥形区域的光纤表面涂覆聚乙烯醇，这将有助于感知外部相对湿度的变化。当聚乙烯醇薄膜表面的官能团吸附水分子时，聚乙烯醇薄膜有效折射率发生改变将影响相邻光纤包层的折射率。光纤折射率的变化将影响传播光束的相位并最终反映透射光谱中的波长漂移响应，可用于检测相对湿度。利用监测多个共振波谷的波长漂移响应，解调灵敏度系数矩阵，实现温度和湿度的双参数同时测量。
[0059]
本发明所述的聚乙烯醇增敏马赫
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曾德干涉湿度和温度同时测量传感器结合了马赫
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曾德干涉仪结构的优势和聚乙烯醇的强亲水性、稳定性好、附着性好的优势，与表1所述类似实施例相比具有低成本、结构简单、高灵敏度、高稳定性、多参数测量等特点。
[0060]
表1湿度和温度双参数测量传感器案例对比
[0061][0062]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。