一种基于细芯光纤修饰PVA/CNT的迈克尔逊干涉仪的湿度传感器的制作方法

本发明提供了一种基于细芯光纤修饰PVA/CNT的迈克尔逊干涉仪的湿度传感器，属于光纤传感技术领域。

背景技术：

光纤折射率传感器作为光纤传感器的一种已经吸引了广泛的注意，由于它结构微小，灵敏度高，容易制造等优势，常见的一些改善传感器灵敏度的方法是对光纤进行一些特殊的溶解或化学处理使其对外界环境的折射率更加敏感，但是这些方法在提高折射率灵敏度的同事降低了光纤本身的柔韧性，使其在实际应用中受到一些限制。大多数折射率传感器会随着外界折射率的增加波长进行漂移，而强度不会因此发生有规律或明显的起伏。这类传感器容易受到FSR(free spectral range)的限制，并且不能够在比较宽的折射率范围内进行连续实时的监测。近年来，越来越多的人通过在光纤表面沉积一层薄膜来提高传感器的传感特性。

近年来，为提高光纤湿度传感器的传感特性，常常以PVA(polyvinyl alcohol)溶液为混合底液并溶解有另外的溶液来提高光纤湿度传感器的灵敏度和折射率探测范围，因此为了解决上述问题，本发明提出了一种基于细芯光纤修饰PVA/CNT(polyvinyl alcohol/carbon nanotubes)的迈克尔逊干涉仪的湿度传感器，该迈克尔逊干涉仪将一段细芯光纤与单模光纤熔接在一起，使之激发出一部分细芯光纤的包层模，再对细芯的另一端放电形成弧形，使之继熔接点激发的包层模之后，再通过微弧端面激发出更高级次的包层模。当细芯模与包层模在第一个熔接点耦合在一起时，具有一定相位延迟，从而实现纤芯模与包层模的模式干涉，同时在该光纤表面沉积一层PVA/CNT薄膜，PVA/CNT薄膜既保留了PVA的性质，又继承了CNT的性质，其中PVA薄膜使得折射率的变化随外界条件的改变更加灵敏，而CNT薄膜可使在包层模中传输的光进入细芯光纤包层的径向边缘，增加了包层模式与外界环境的干涉，从而实现提高传感器传感特性的功能。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于细芯光纤修饰PVA/CNT的迈克尔孙干涉仪的湿度传感器，该装置能够将外界湿度的改变而引起的折射率变化量转化为探测信号的波长漂移量。实现使原本结构的折射率的测量范围增大，并且随着外界折射率改变使干涉波谱的强度改变幅度得到提高。具有结构简单、成本低、灵敏度较高等特点。

本发明所采用的技术方案：

一种基于细芯光纤修饰PVA/CNT的迈克尔孙干涉仪的湿度传感器，其特征在于：包括单模光纤(1)、细芯光纤(2)、微弧区域(3)、PVA/CNT薄膜(4)；所述的细芯光纤(2)的两端分别与单模光纤(1)、微弧区域(3)相连接；所述的单模光纤(1)、细芯光纤(2)、微弧区域(3)相连接构成全光纤的迈克尔逊干涉仪；所述的细芯光纤、微弧区域(3)均沉积了PVA/CNT薄膜(4)。

所述的单模光纤(1)、细芯光纤(2)、微弧区域(3)均可采用G.652单模光纤，细芯光纤(2)的纤芯和包层直径分别为2μm～5μm和120μm～130μm，细芯光纤(2)的长度L为2mm～5mm，微弧区域(3)的长度l为40μm～50μm。

所述的微弧区域(3)经熔接机放电形成，其中需要调节熔接机的熔接程序，将放电强度设置成标准强度+7bit，放电时间为10，000ms。

所述的涂覆有PVA/CNT薄膜(4)的传感头放置在一个封闭的湿度箱内，通过向里面泵入干燥和湿润的气体来控制湿度箱内的湿度，并排除其他外界环境的改变而导致折射率的变化引起实验误差。

本发明的工作原理是：

当带宽光源发出的光在单模光纤纤芯中的传输的基模到达第一个熔接点时分束并激发出一部分细芯光纤的包层模，微弧的端面激发出更高级次的包层模，并由于微弧区域的性质，激发了包层模反射时的入射角度，当纤芯模与包层模在第一个熔接点耦合在一起时，具有一定的相位延迟，从而实现纤芯模与包层模的模式干涉。

由于沉积的PVA/CNT薄膜既保留了PVA的性质，又继承了CNT的性质，可见是一种高湿敏性、高折射率和高光吸收率的材料，因此高湿敏性使得传感头对环境湿度变化灵敏，高折射率特性使得包层模式的有效折射率发生变化，从而影响细芯光纤表面的包层模式的倏逝波的强度，最终导致干涉波峰和波谷的波长和消光比的改变。当外界环境的湿度发生改变时，端面修饰了PVA/CNT的细芯光纤也发生改变，因此包层模式的倏逝波强度发生改变。

本发明的有益效果是：

在细芯光纤端面修饰了PVA/CNT薄膜后提高了包层模式的反射强度，使原本结构的折射率的测量范围增大从而增大湿度传感器的测量范围，并且随着外界折射率改变使干涉波谱的强度改变幅度得到提高，具有结构简单、成本低、灵敏度较高等特点。

附图说明

图1是一种基于细芯光纤修饰PVA/CNT的迈克尔孙干涉仪的湿度传感器示意图

图2是不同外界湿度下传感光纤的干涉光谱变化实验图

图3是随着外界湿度的变化干涉谱的强度的变化实验图

其中，1是单模光纤，2是细芯光纤，3是微弧区域，4是PVA/CNT薄膜

具体实施方式

参见附图1，一种基于细芯光纤修饰PVA/CNT的迈克尔逊干涉仪的湿度传感器，其特征在于：包括单模光纤1、细芯光纤2、微弧区域3、PVA/CNT薄膜4；所述的单模光纤1右端和细芯光纤2的左端通过切割后采用熔接机熔接在一起，所述的微弧区域3位于细芯光纤2的右端，其通过设定熔接机程序并经熔接机放电形成，由单模光纤1、细芯光纤2、微弧区域3组成了线型结构，所述的细芯光纤2、微弧区域3均沉积了PVA/CNT薄膜4。

单模光纤1、细芯光纤2、微弧区域3均可采用G.652单模光纤，细芯光纤2的纤芯和包层直径分别为2μm～5μm和120μm～130μm，细芯光纤2的长度L为2mm～5mm，微弧区域3的长度l为40μm～50μm。微弧区域3经熔接机放电形成，其中需要调节熔接机的熔接程序，将放电强度设置成标准强度+7bit，放电时间为10，000ms。

所述的PVA/CNT薄膜配置的方法：首先配置9％的PVA溶液，再将CNT溶解，其中CNT的溶解过程如下：制备PSS溶液，将其混合溶液放在振荡器中振荡24h使大部分的CNT充分分散在溶液中，然后用滤纸过滤出上清液，再取不同比例的PVA与CNT将其混合，之后利用Piranha溶液处理制备好的传感头以将其表面的杂质去除，最后将已经干燥的传感头插入到PVA/CNT的混合溶液中，迅速取出并置于空气中静置48h。

所述的涂覆有PVA/CNT薄膜(4)的传感头放置在一个封闭的湿度箱内，通过向里面泵入干燥和湿润的气体来控制湿度箱内的湿度，并排除其他外界环境的改变而导致折射率的变化引起实验误差。

沉积薄膜后的细芯光纤及微弧结构为传感器的传感头部分，用于探测不同的外界环境温度大小。实验时，将传感头置于要湿度箱中，通过泵入不同湿润成都的气体来控制不同的外界环境湿度，图2是在不同外界湿度下在传感头上的干涉光谱变化实验图，可见，强度和波长都发生了漂移，波长向短波方向漂移，强度的消光比增加。图3为不同湿度下的强度拟合图，可直观看出其在高湿度区域灵敏度可以达到-4.55dB/％RH。