本发明专利技术提供了一种基于全琼脂F‑P腔的超高灵敏度的光纤湿度传感器及其制备方法，所述传感器包括导入光纤和琼脂胶体构成的湿度敏感的琼脂F‑P腔。导入光纤和琼脂F‑P腔用端面蘸取的方法直接连接，导入光纤用于导入光源信号和传输反射光，琼脂F‑P腔用于感应环境的湿度变化。琼脂胶体具有吸湿性，是因为其表面含有大量的亲水集团，可以吸水膨胀和失水消胀，折射率和体积同时发生改变，本发明专利技术充分利用琼脂膜折射率和厚度的改变制作传感器，可以实现以超短的琼脂F‑P腔作为传感单元，从而获得超高的灵敏度。此外，琼脂粉便宜易获得，易溶于热水，冷却后胶体光学特性稳定，镀膜工艺十分简单，无需复杂操作过程和昂贵设备，可以降低传感器制备成本。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光纤传感
，尤其涉及一种超高灵敏度的光纤湿度传感器。
技术介绍
湿度传感器在空调、食品加工、化学加工和建筑安全监测中得到了广泛的应用，光纤湿度传感器具有体积小，重量轻等一系列优点，越来越受到市场的亲赖。为了检测环境湿度变化，在制作光纤湿度传感器时基本上有两种原理。一种是基于折射率的改变，如专利文献1(中国专利公开号CN101776493A)中所描述，用围栏将传感敏感液体围在光纤外围，传感区域长度为0.1-6cm，操作较为复杂；另一种是基于体积的改变，如专利文献2(中国专利公开号CN105259139A)中所描述，用敏感薄膜涂敷在刻有光栅的光纤侧表面上，利用了敏感薄膜的体积膨胀引起光栅处的长度膨胀，带来光谱的漂移。由于这种膨胀信息在传递过程中必然有损失，灵敏度通常很难满足市场需求。再例如非专利文献1(“EnhancingthehumidityresponsetimeofpolymeropticalfiberBragggratingbyusinglasermicromachining”,OpticsExpress,2015,23(20):25942-25949)，其传感器灵敏度为0.06nm/％RH；非专利文献2(“Chitosanbasedfiber-opticFabry-Perothumiditysensor”，Sensors&ActuatorsBChemical，2012,169(8):167-172)，其传感器灵敏度为0.13nm/％RH。因此，迫切需要一种湿度传感器，既有较高的灵敏度，又具有较容易的制备方法。为了解决以上问题，选用吸湿性材料直接构成F-P腔作为敏感单元，再与导入光纤连接。以往湿度传感器，通常用湿度敏感材料作为一次感应单元，再将其感应到的湿度变化转化为湿敏材料长度(或厚度)的变化，二次传递给光纤或光栅等二次敏感单元，从而获得反射或透射光谱的变化，最后再解调出湿度变化信息。由于信息的二次传导，导致部分信息的丢失或弱化。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种具有超高灵敏度，制备工艺简单，操作容易的基于全琼脂F-P腔的超高灵敏度的光纤湿度传感器。为达上述目的，本专利技术通过以下技术方案实现：一种基于全琼脂F-P腔的超高灵敏度的光纤湿度传感器，其包括导入光纤和琼脂胶体构成的湿度敏感的琼脂F-P腔，所述导入光纤和所述琼脂F-P腔直接连接，所述导入光纤用于导入光源信号和传输反射光，所述琼脂F-P腔用于感应环境的湿度变化。本专利技术的有益效果是：琼脂胶体具有吸湿性，是因为其表面含有大量的亲水集团，可以吸水膨胀和失水消胀，折射率和体积同时发生改变。相当于F-P腔的腔长(L)和折射率(n)同时改变，修改了干涉光的光程差，反射光的光谱将随之发生漂移。用1250nm-1650nm宽带光源提供传感器的入射光源，再由高分辨率的光谱仪监测其发射光谱，就可以得到当湿度改变时的光谱漂移，从而得出相对湿度的变化。这种设计使得本专利技术具有以下优势：(1)当环境湿度增加时，琼脂F-P腔可以吸收空气中的水分子，折射率和腔长同时增大，充分利用琼脂膜折射率和厚度的改变带来光谱漂移，可获得较高的灵敏度。(2)导入光纤和湿度敏感的琼脂F-P腔直接连接用端面蘸取实现，这种连接方式可以形成超短的F-P腔，从而获得超高的灵敏度。(3)琼脂粉便宜易获得，易溶于热水，冷却后胶体光学特性稳定。端面蘸取镀膜工艺十分简单，无需复杂操作过程和昂贵设备，可以降低传感器制备成本。此外，本专利技术还具有结构紧凑，易封装，响应时间短等优点。附图说明图1是本专利技术的光纤湿度传感器的探头示意图；图2是单模光纤端面镀琼脂膜的示意图；图3是利用本专利技术的光纤湿度传感器对环境湿度的检测系统示意图；图4是本专利技术传感器典型反射光谱(环境湿度为13.0％RH)；图5(a)是本专利技术的传感器在环境湿度分别为13.0、31.2、46.6和64.0％RH时的反射光谱；图5(b)是本专利技术的传感器在湿度变化时同一波谷位置漂移测量图。具体实施方案下面通过具体实施方式结合附图对本专利技术作进一步详细说明。如附图1所示，本专利技术的基于全琼脂F-P腔的超高灵敏度的光纤湿度传感器100由单模光纤101、琼脂F-P腔102两部分组成，由于折射率的不同，光纤-琼脂和琼脂-空气可以被视作是两个光学界面，这样构成一个F-P腔。根据F-P腔工作原理，反射光谱可以被折射率(n)和腔长(L)修改，而折射率和腔长都随相对湿度(RH)改变。传感器的灵敏度可以表示为：ΔλΔRH=λ(1ndndRH+1LdLdRH)---(1)]]>其中，λ代表入射光的波长，n是腔内物质的相对折射率，L代表F-P腔的长度，从公式(1)可以看出，当外界湿度引起腔内折射率n和腔长L发生改变时，能够导致光谱波长的改变，通过监测波长的改变可以得到相对湿度的变化。本专利技术的光纤湿度传感器的工作原理是F-P腔的灵敏度与腔长成反比，利用超短的琼脂F-P腔作为传感单元，大大的提高了光纤湿度传感器的灵敏度。琼脂胶体吸湿导致折射率和体积同时发生快速响应，与超短的琼脂F-P腔结构共同作用，获得了超高灵敏度的光纤湿度传感器。其中所述琼脂F-P腔的腔长为几个到几十个微米范围。用琼脂胶体形成光学F-P腔结构的光纤湿度传感器，充分利用折射率和体积的改变，可以获得较高的灵敏度。琼脂粉末，其易溶于热水，冷却后形成胶体，光学性质稳定。琼脂胶体具有极强的吸湿性，是因为其表面有大量的亲水集团——氢氧基，可以吸湿膨胀和失水消肿，折射率和体积同时改变。利用端面蘸取的方式连接导入光纤和敏感F-P腔，可以获得具有超短腔长。本专利技术的基于全琼脂F-P腔的超高灵敏度的光纤湿度传感器采用如附图2所示的设备来制备，该设备包括加热平台204、垂直立于所述加热平台上的位移平台203，在位移平台的顶部设置有一光纤夹202。所述加热平台上可以放置琼脂溶液205，所述光纤夹上可以夹光纤201，所述位移平台垂直于所述加热平台、可以垂直地进行升降，以使得所述光纤与琼脂溶液进行接触或者分离。本专利技术的光纤湿度传感器具体制备方法如下：(1)将白色的琼脂粉末溶于沸水，搅拌至均匀。搅拌目的是使琼脂充分溶解，溶液混合均匀至其胶体具有良好、稳定的光学特性。(2)普通单模光纤，端面切平，用光纤夹夹持于垂直位移平台，如附图2的左侧部分所示，等待镀膜。(3)把热的琼脂溶液置于100℃加热平台上；调整垂直位移平台，使单模光纤端面垂直接触琼脂溶液，如附图2的中间部分所示，通过控制蘸取次数，可以控制琼脂膜的厚度。(4)在室温条件下，将镀有琼脂膜的单模光纤冷却30min，至琼脂溶液凝结成稳定胶体，如附图2的右侧部分所示。湿度检测系统如附图3所示，本专利技术的传感器与环形器的2端口相连，1250-1650nm宽带光源与环形器1端口相接，光谱分析仪与环形器3端口相接以测量传感器反射光谱。将传感器探头置于密闭、恒温恒压、且湿度可调的湿度箱内。改变湿度箱内湿度，通过光谱仪记录传感器反射光谱，根据光谱漂移即可解调出环境相对湿度的变化。附图4为在室温25℃条件下测量的本专利技术的传感器的典型反射光谱，分辨率高达20.69dB，自由光谱范围达108.75n本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于全琼脂F‑P腔的超高灵敏度的光纤湿度传感器，其特征在于：所述传感器包括导入光纤和琼脂F‑P腔，所述导入光纤和琼脂F‑P腔直接连接；其中，所述导入光纤为单模光纤，用于导入光源信号和传输反射光，所述琼脂F‑P腔对湿度敏感，用于感应环境的湿度变化，来实现了超高灵敏度的湿度探测。
【技术特征摘要】
1.一种基于全琼脂F-P腔的超高灵敏度的光纤湿度传感器，其特征在于：所述传感器包括导入光纤和琼脂F-P腔，所述导入光纤和琼脂F-P腔直接连接；其中，所述导入光纤为单模光纤，用于导入光源信号和传输反射光，所述琼脂F-P腔对湿度敏感，用于感应环境的湿度变化，来实现了超高灵敏度的湿度探测。2.根据权利要求1所述的光纤湿度传感器，其特征在于：所述琼脂F-P腔全部由琼脂胶体直接构成。3.根据权利要求1所述的光纤湿度传感器，其特征在于：所述光纤湿度传感器的工作原理是F-P腔的灵敏度与腔长成反比，利用超短的琼脂F-P腔作为传感单元，大大的提高了光纤湿度传感器的灵敏度；琼脂胶体吸湿导致折射率和体积同时发生快速响应，与超短的琼脂F-P腔结构共同作用，获得了超高灵敏度的光...
【专利技术属性】
技术研发人员：田佳峻，胡玲，卢泽锦，姚勇，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。