一种傅里叶变换辅助温度无关光纤湿度传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种傅里叶变换辅助温度无关光纤湿度传感器，包括入射光纤、分束器、干涉臂、合束器和出射光纤：从入射光纤输入的光信号经过分束器时耦合到干涉臂中，干涉臂形成传输波导，筛选不同的光波传输模式。并且干涉臂的折射率会随环境湿度的变化而变化，光信号经过合束器时会产生干涉，随后耦合到出射光纤中。出射光纤将光信号传输到光谱仪中，通过快速傅里叶变换数据处理方式分析温湿度频谱，排除温度对传感器的交叉影响。本发明专利技术利用聚乙醇薄膜与周围环境中的水分子相互作用达到优化传感的目的。本发明专利技术结合了马赫

【技术实现步骤摘要】
一种傅里叶变换辅助温度无关光纤湿度传感器


[0001]本专利技术涉及光纤传感
，具体涉及一种傅里叶变换辅助温度无关光纤湿度传感器。

技术介绍

[0002]相对湿度定义为空气或其他气体中水分子的含量，它在人们的生活中起着非常重要的作用。相对湿度的测量在仓储、农业、生物医学、化学、食品加工等各个行业都具有举足轻重的地位。因此，研究相对湿度测量具有重要意义。然而，传统的基于电子的相对湿度传感器非常不稳定，容易受到周围电磁环境的影响，因此在很多情况下使用受到限制。由于抗电磁干扰、抗腐蚀、高灵敏度和远距离传输等优点，光纤传感器受到众多科学家的青睐。根据工作机理，光纤传感器可分为不同类型，如马赫
‑
曾德尔干涉仪、法布里
‑
珀罗干涉仪、迈克尔逊干涉仪、萨格纳克干涉仪、光纤光栅布拉格涉仪、长周期光栅和表面等离子共振等。与此同时，也应用于不同的领域，比如用于检测在特殊的环境中的相对湿度、温度、气体、应变、重金属离子、折射率等不同参数。
[0003]虽然光纤传感器种类繁多，结构不同，但如果没有相关的敏感化学材料作为辅助，它们仍然无法很好地发挥作用。由于光纤的主要成分是硅，所以光纤本身很难受周围环境的影响。光纤马赫
‑
曾德尔干涉仪一般是光纤包层模与纤芯模发生干涉。因此我们在光纤表面涂敷对周围环境敏感的材料，包层光的强度和光路会因包层有效折射率的变化而发生改变，进而得到最终的随环境变化而变化透射光谱。对相对湿度敏感的化学材料有很多，如氧化石墨烯、聚甲基丙烯酸甲酯、羧甲基纤维素、壳聚糖、琼脂糖、明胶等。聚乙烯醇作为另一种候选材料，受到了研究人员的广泛关注。它是一种可降解的高分子聚合物，并且目前可以通过多种方法实现量产，价格低廉。同时，聚乙烯醇是一种非常好的水溶性材料，容易制成水凝胶溶液，具有很好的耐油性、抗有机溶液和阻隔气体等特点。因为凝胶有很好的流延性，所以成膜很容易。当外界环境发生变化后，聚乙烯醇的分子质量随着吸收或者释放水分子而变大或变小，从而导致有效折射率增大或者减小。因此聚乙烯醇薄膜材料可以用于光纤马赫
‑
曾德尔干涉仪。
[0004]通常基于马赫
‑
曾德尔干涉仪的相对湿度传感器采用光纤包层作为传感臂，由于其折射率随环境的变化而变化，因此包层模与纤芯模之间会出现相位差，引起透射谱干涉峰漂移。但是本专利技术测量的是干涉峰能量的变化。当包层的光强变化时，纤芯中的光功率几乎是恒定的。包层模和纤芯模的光功率比会发生变化，从而导致干涉峰强度的变化。本专利技术所提的传感器结构更加紧凑，同时高灵敏度的马赫
‑
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。通过监测共振波谷的光谱变化来测量相对湿度，最后利用快速傅里叶变换数据处理方式分析温湿度光谱频谱，提取独立特征，消除温度对传感器产生的影响。这种方法灵敏度高，结构多样。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本专利技术提供一种傅里叶变换辅助温度无关光纤湿度传感器，该光纤湿度传感器低成本，易制备，结构紧凑，多参数测量，灵敏度高。
[0006]本专利技术的目的至少通过如下技术方案之一实现。
[0007]一种傅里叶变换辅助温度无关光纤湿度传感器，包括入射光纤、分束器、干涉臂、合束器和出射光纤；
[0008]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一一对应连接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；
[0009]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；干涉臂受湿度影响，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信息的光信号传输到外接光谱仪中，通过追踪共振波谷的功率变化，实现湿度测量，通过快速傅里叶变换数据处理方式分析温湿度频谱，排除温度对传感器带来的交叉影响。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]进一步地，所述分束器与合束器结构相同，均由无芯光纤构成，所述干涉臂由多芯光纤构成。
[0013]进一步地，所述分束器与合束器均由直径为120
‑
125μm的无芯光纤构成；长度为1
‑
3mm。
[0014]进一步地，所述干涉臂(3)的长度10
‑
30mm，直径145
‑
150μm。
[0015]进一步地，所述干涉臂(3)由多芯光纤构成，第一干涉臂(31)由多芯光纤中外围多跟纤芯和包层组成，第二干涉臂(32)由多芯光纤中间纤芯组成；第一干涉臂(31)与第二干涉臂(32)的长度相等。
[0016]进一步地，将以干涉臂的中间位置为中心，直径1
‑
2mm区域的包层以及分束器和合束器，经过30
‑
40％浓度的氢氟酸溶液化学腐蚀5
‑
20分钟，使其厚度减小20
‑
30μm，形成锥形光纤区域，锥形光纤区域的无芯光纤直径为80
‑
100μm，多芯光纤的直径为110
‑
130μm，增强倏逝场效应，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。
[0017]进一步地，传感器输出的光信号的强度如下：
[0018][0019][0020][0021]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，I
max
和I
min
分别是产生干涉时的最大光强和最小光强；干涉的条纹可见度为：
[0022][0023]当I
max
和I
min
变化时，共振波谷的功率将发生变化。
[0024]进一步地，追踪湿度和温度的测量光谱，进行快速傅里叶变换并且对比温湿度频谱特征，利用加窗滤波方法提取独立特征，具体如下：
[0025][0026]f(x)为测量的光谱，c
n
为傅里叶系数：
[0027][0028]周期T的倒数1/T为f(x)的基频，上式表明对于函数f(x)能够分解成多个不同频率谐波；同样能够由不同频率的谐波合成函数f(x)，描述为：
[0029][0030]获取滤波后的光谱便消除了传感器因温度变化产生的干扰。
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种傅里叶变换辅助温度无关光纤湿度传感器，其特征在于：包括入射光纤(1)、分束器(2)、干涉臂(3)、合束器(5)和出射光纤(6)；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)的输出端一一对应连接合束器(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；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)受湿度影响，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)将包括湿度信息的光信号传输到外接光谱仪中，通过追踪共振波谷的功率变化，实现湿度测量，通过快速傅里叶变换数据处理方式分析温湿度频谱，排除温度对传感器带来的交叉影响。2.根据权利要求1所述的傅里叶变换辅助温度无关光纤湿度传感器，其特征在于：所述入射光纤(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。3.根据权利要求1所述的傅里叶变换辅助温度无关光纤湿度传感器，其特征在于：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。4.根据权利要求1所述的傅里叶变换辅助温度无关光纤湿度传感器，其特征在于：所述分束器(2)与合束器(5)结构相同，均由无芯光纤构成，所述干涉臂(3)由多芯光纤构成。5.根据权利要求1所述的傅里叶变换辅助温度无关光纤湿度传感器，其特征在于：所述分束器(2)与合束器(5)均由直径为120
‑
125μm的无芯光纤构成；长度为1
‑
3mm。6.根据权利要求1所述的傅里叶变换辅助温度无关光纤湿度传感器，其特征在于：所述干涉臂(3)的长度10
‑
30mm，直径145
‑
150μm。7.根据权利要求1所述的傅里叶变换辅助温度无关光纤...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒙红云，周杰，
申请(专利权)人：华南师大清远科技创新研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：