光纤光栅湿度传感器及其制作方法

技术领域：

本发明涉及一种温度传感器，特别是涉及一种光纤光栅湿度传感器。

背景技术：
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由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰能力强、柔韧性好、耐腐蚀、质量轻等优点，能够克服传统湿度传感器的诸多不足，从而得到很好的发展，现有的光纤光栅传感器均是在其上覆湿敏材料，实现对相对湿度进行监测，但是在经长时间多次使用后，会由于环境腐蚀等因素导致湿敏材料层变质或磨损，使其湿敏特性受到影响，现有的做法是直接更换新的传感器，把旧的丢掉，但是，更换下来的光纤spr探针是好的，仅仅是表面涂层的变质或磨损导致性能的下降，直接丢掉造成一定的浪费。

技术实现要素：
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本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种通过对覆膜失效的光纤spr探针进行可逆性处理，获取性能完好的光纤spr探针，并对光纤spr探针重新覆膜，获得不同覆膜厚度的有效光纤spr探针，具有废物利用和节省资源功能的光纤光栅湿度传感器。

本发明的技术方案是：一种光纤光栅湿度传感器，其特征是：在光纤spr探针的端部采用提拉法覆聚乙烯醇膜。

进一步的，所述聚乙烯醇膜的层数为1-3层。

一种光纤光栅湿度传感器，其步骤是：步骤一、对现有的光纤spr探针进行检测，并依据检测结果进行分类；

步骤二、对不达标的光纤spr探针进行去膜处理，获得重复使用的光纤spr探针；

步骤三、对步骤二获取的光纤spr探针进行预处理；

步骤四、并对处理后的光纤spr探针采用提拉法进行镀膜，重复，获取不同覆膜厚度的光纤spr探针。

进一步的，所述步骤一中，对光纤spr探针的共振强度灵敏度进行检测，依据检测结果，根据设置的共振强度灵敏度，把光纤spr探针分为两类，分别为达标和不达标。

进一步的，所述步骤二中，光纤spr探针进行去膜处理的过程为：将光纤spr探针置于装水的烧杯中加热至沸腾，保持煮沸半小时以上，停止加热，待自然冷却后，即可取出探针。

进一步的，所述步骤二中，获取去膜前光纤spr探针的共振光谱曲线和去膜后光纤spr探针的共振光谱曲线，并进行对比获取重复使用的光纤spr探针。

进一步的，所述步骤三中，预处理的步骤如下：(1)用离子水冲洗；(2)在丙酮中浸泡10min去除有机油污；(3)放入装有乙醇的烧杯，在超声清洗机中清洗5min；(4)取出后再用去离子水清洗，烘干。

进一步的，所述步骤四中，镀膜的具体操作步骤为：将清洗后的光纤spr探针缓慢垂直浸入配制好的聚乙烯醇(pva)溶液中，待探针针头部分全部浸没后静止5min，使探针表面充分浸润，然后利用步进电机以2.8cm/min左右的速度将探针缓缓提出，放入温度为80℃的恒温箱中保温10min，根据所需膜厚度的不同可重复镀膜；最后一次提出后，需在80℃的恒温箱中保温1h，取出后，自然冷却至室温。

进一步的，所述聚乙烯醇(pva)溶液的配制过程为：pva颗粒依次经浸润、溶胀、加热搅拌过程在水中溶解形成质量分数为8%的溶液，自然冷却至室温后密封保存。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过对覆膜失效的光纤spr探针进行可逆性处理，获取性能完好的光纤spr探针，并对光纤spr探针重新覆膜，获得不同覆膜厚度的有效光纤spr探针，具有废物利用和节省资源功能。

2、本发明对光纤spr探针的共振强度灵敏度进行检测，依据检测结果，根据设置的共振强度灵敏度，把光纤spr探针分为两类，分别为达标和不达标，从而获取膜层失效的光纤spr探针，同时还对使用中的光纤spr探针性能进行检测，便于进行更换。

3、本发明对去膜后的光纤spr探针进行清洗等处理，清除表面的油污等杂质，保证覆膜质量。

4、本发明能够根据实际情况获取不同覆膜厚度的光纤spr探针，以适应不同应用环境。

附图说明：

图1为光纤光栅湿度传感器制作方法的流程图。

图2为湿度实验装置图。

图3为光纤spr探针、增覆pva薄膜的光纤spr探针以及去除薄膜的光纤spr探针的共振光谱曲线图。

图4为光纤spr探针相对湿度特征光谱图。

图5为共振强度与相对湿度对应关系图。

图6为增覆单层pva薄膜的光纤spr探针对应的相对湿度特征光谱图。

图7为共振强度与相对湿度的对应关系图。

图8为共振波长与相对湿度的对应关系图。

图9为增覆双层pva薄膜的spr探针相对湿度特征光谱图。

图10为共振强度与相对湿度对应关系图。

图11为增覆三层和四层pva薄膜的spr探针相对湿度特征光谱。

具体实施方式：

实施例：参见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10和图11。图中，1-可调湿度箱、2-光纤spr探针、3-多模光纤、4-y型光纤耦合器、5-宽带光源、6-光纤光谱解调仪、7-pc。

光纤光栅湿度传感器，对现有的光纤spr探针进行检测，并依据检测结果进行分类；对不达标的光纤spr探针进行去膜处理，获得重复使用的光纤spr探针；对获取的光纤spr探针进行预处理；并对处理后的光纤spr探针采用提拉法进行镀膜，重复，获取不同覆膜厚度的光纤spr探针；通过对覆膜失效的光纤spr探针进行可逆性处理，获取性能完好的光纤spr探针，并对光纤spr探针重新覆膜，获得不同覆膜厚度的有效光纤spr探针，具有废物利用和节省资源功能。

下面结合实施例和附图对本申请进行详细描述。

一种光纤光栅湿度传感器，在光纤spr探针的端部采用提拉法覆1-3层聚乙烯醇膜。

其具体制作方法为：步骤一、对现有的光纤spr探针进行检测，并依据检测结果进行分类。

对光纤spr探针的共振强度灵敏度进行检测，依据检测结果，根据设置的共振强度灵敏度，把光纤spr探针分为两类，分别为达标和不达标。

步骤二、对不达标的光纤spr探针进行去膜处理，获得重复使用的光纤spr探针。

光纤spr探针进行去膜处理的过程为：将光纤spr探针置于装水的烧杯中加热至沸腾，保持煮沸半小时以上，停止加热，待自然冷却后，即可取出探针。

获取去膜前光纤spr探针的共振光谱曲线和去膜后光纤spr探针的共振光谱曲线，并进行对比获取重复使用的光纤spr探针。

步骤三、对步骤二获取的光纤spr探针进行预处理；

步骤三中，预处理的步骤如下：(1)用离子水冲洗；(2)在丙酮中浸泡10min去除有机油污；(3)放入装有乙醇的烧杯，在超声清洗机中清洗5min；(4)取出后再用去离子水清洗，烘干。

步骤四、并对处理后的光纤spr探针采用提拉法进行镀膜，重复，获取不同覆膜厚度的光纤spr探针。

镀膜的具体操作步骤为：将清洗后的光纤spr探针缓慢垂直浸入配制好的聚乙烯醇(pva)溶液中，待探针针头部分全部浸没后静止5min，使探针表面充分浸润，然后利用步进电机以2.8cm/min左右的速度将探针缓缓提出，放入温度为80℃的恒温箱中保温10min，根据所需膜厚度的不同可重复镀膜；最后一次提出后，需在80℃的恒温箱中保温1h，取出后，自然冷却至室温。

聚乙烯醇(pva)溶液的配制过程为：pva颗粒依次经浸润、溶胀、加热搅拌过程在水中溶解形成质量分数为8%的溶液，自然冷却至室温后密封保存。

实验主要试剂与仪器：

主要试剂：pva颗粒（沪试）；乙醇（分析纯ar，南京化学试剂有限公司）；丙酮（分析纯ar，南京化学试剂有限公司）；去离子水（自制）。

主要仪器：超声清洗器（清洗槽体积150ml）；恒温磁力搅拌机（sh23-2）；真空恒温箱；烧杯数个；圆柱形光纤spr传感器、y型耦合器、宽带光源、光谱仪的参数如表下所示。

实验主要仪器表

如图2所示，实验光源选择ocean公司的波长从360nm到2um、型号为hl-2000-fhsa的宽带光源。将光纤spr探针置于湿度箱内，通过电子湿度计对湿度箱内的相对湿度进行实时监测。实验中选用由多模石英光纤制作的y型光纤耦合器联接光纤探头、宽带光源和光谱分析仪。入射到光纤spr探针部分的宽带光发生表面等离子体共振效应之后，经spr探针端部的镜面反射由y型光纤另一支进入usb2000微型光谱分析仪。分析仪所得信号最终输入计算机，由计算机软件对数据进行记录处理。

如图3所示。从图中可以看出，镀膜后探针在水中的共振光谱曲线大范围右移，而处理后的探针共振光谱曲线与镀膜前测量曲线几乎重合，这表明经过处理后，光纤探针表面的pva湿敏薄膜能够彻底除去，探针可重复使用。

光纤spr探针湿敏特性：

湿度箱内保持恒温不变，在不同相对湿度条件下对纤芯/金属膜结构的光纤spr探针湿敏特性进行研究。湿度箱内从环境湿度开始上升，在相对湿度上升到85%时，传感系统开始有响应，所得共振光谱经小波去噪处理，如图4所示，随着湿度的增加共振强度（反射光谱波谷对应的光强反射率）逐渐减小，这是由于湿度改变导致空气折射率发生变化，从而引起表面等离子体共振效应。

由对图4中共振光谱曲线分析可知：从相对湿度85%开始，湿度每升高1%记录一条曲线，直到98%为止。共振光谱的共振强度rspr与相对湿度rh的关系为:rspr=-44.99+0.61rh，共振强度的灵敏度为0.61/%rh，如图5所示。实验表明，光纤spr探针在高湿区具有良好的线性关系，但其灵敏度相对较低。因此为提高灵敏度和扩展监测范围，需要研究适合在纤芯/金属膜结构探针表面增覆并具有湿敏特性的薄膜材料。

增覆pva薄膜的光纤spr探针湿敏特性：

图6给出了增覆单层pva薄膜（薄膜厚度约为1.5um）的纤芯/金属膜/pva薄膜结构的光纤spr探针随环境湿度变化所对应的共振光谱曲线族。图中显示，随着环境相对湿度增大，采集到特征光谱的共振强度和共振波长（反射光谱波谷对应的波长）与相对湿度均呈现良好对应关系。产生此现象的原因主要是pva薄膜在湿度大于75%时吸湿能力急剧增强。因此在湿度大于75%之后，由于湿度累加效应使得其薄膜折射率也出现较大变化，进而使得光纤spr探针在相对湿度大于78%的区间出现共振波谷。增覆单层pva薄膜的探针表现出良好的响应特性，当湿度上升到80%以后，spr特征光谱的共振强度和共振波长与相对湿度间均呈现较好的对应关系，如图6示，这与理论分析相吻合。

由对图6中共振光谱曲线分析可知，从相对湿度80%开始，湿度每升高1%记录一条曲线，直到99%为止。共振光谱的共振强度rspr与相对湿度rh对应关系为:rspr=-26.92+0.67rh，灵敏度为0.67%/%rh，如图7所示。而共振光谱的共振波长λspr与相对湿度rh的对应关系为：λspr=989.425-2.411rh，灵敏度2.411nm/%rh，如图8所示。实验表明，增覆单层pva薄膜spr探针较未镀膜spr探针共振强度灵敏度有所提升，且其共振波长也随相对湿度增大呈现明显偏移。下面将对增覆不同厚度薄膜的光纤spr探针湿敏性能进行研究。

图9给出了增覆双层pva薄膜的光纤spr探针随环境湿度变化所对应的共振光谱曲线族。增覆双层pva薄膜的spr探针在相对湿度为81%时产生响应。随着薄膜厚度增加，光纤spr探针共振波长漂移出1000nm的光谱分析仪测量范围，但仍可看出共振光谱整体向短波长方向偏移，如图9所示。同时共振光谱的共振强度随相对湿度升高呈现不断减小趋势。

根据对图9中共振光谱曲线分析，从相对湿度81%开始，湿度每升高1%记录一条曲线，直到99%为止。共振光谱的共振强度rspr与相对湿度rh的线性关系为:rspr=-121.777+1.59rh，灵敏度为1.59%/%rh，如图10所示。

分析实验结果表明，湿度薄膜厚度对共振光谱特性存在较大影响。在增覆单层pva膜时，传感探针的共振强度和共振波长分别与相对湿度呈现较高的灵敏度。而增覆双层pva膜的湿敏传感探针对应的共振强度与相对湿度之间呈现较好线性关系，且其灵敏度较单层膜更高。但随着镀膜层数逐渐增多，传感探针灵敏度和稳定性出现逐渐变差特点，如图11所示。在膜层数大于四层后，传感探针几乎失去响应。总体而言，增覆薄膜后的光纤spr传感探针较之未镀膜的光纤spr传感探针湿度检测的灵敏度有明显提高，测量范围也有所增加。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。