基于氧化石墨烯和聚乙烯醇复合膜的光纤湿度传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明提出了一种基于氧化石墨烯/聚乙烯醇复合膜的光纤湿度传感器，属于光 纤传感技术领域。
【背景技术】
[0002] 石墨烯是一种新型的二维碳材料，具有比表面积大、导热系数高、机械强度大等优 良性能。作为石墨烯最重要的衍生物-氧化石墨烯，在保留着石墨烯众多特性的同时，其表 面丰富的含氧官能团使得其有着良好的亲水特性，可以稳定的分散于水溶液中。由于氧化 石墨烯表面及边缘含氧极性官能团的存在，使得该材料在一定条件下能够与高分子聚合物 材料混合，从而制成复合材料。比如与聚乙烯醇溶液混合，制成氧化石墨烯/聚乙烯醇复合 材料，该复合材料表面同样具有大量的含氧极性基团，具有良好的亲水性以及吸湿性。将该 复合材料水溶液经干燥处理后，能在光纤传感器侧表面镀上氧化石墨烯/聚乙烯醇复合薄 膜。利用该复合薄膜吸湿膨胀和干燥消溶胀的特性，可制成光纤湿度传感器。
[0003] 马赫-曾德尔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，该原理也被广泛应用于各种光纤传感器中来监测各类待测量，其发 展前景相当广阔。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种基于氧化石墨烯/聚乙烯醇复合膜的光纤湿度传感 器，将经过干燥处理的氧化石墨烯/聚乙烯醇混合溶液均匀地镀在马赫-曾德尔干涉型光 纤传感器的侧表面，从而形成一种新型的镀有氧化石墨烯/聚乙烯醇复合薄膜的光纤湿度 传感器。该复合薄膜具有吸湿膨胀和干燥消溶胀的特性，相应的薄膜折射率也会发生变化， 结合马赫-曾德尔干涉型光纤传感器具有高灵敏度和分辨率的特性，制作成基于氧化石墨 烯/聚乙烯醇复合膜的光纤湿度传感器。
[0005] 本发明通过以下技术方案实现：
[0006] 本发明提供了一种基于氧化石墨烯/聚乙烯醇复合膜的光纤湿度传感器，其特征 在于：由宽带光源（1)、第一光纤腰锥放大（2)、氧化石墨烯/聚乙烯醇复合膜（3)、第二光 纤腰锥放大（4)和光谱分析仪（5)组成；氧化石墨烯/聚乙烯醇复合膜经过干燥处理，均匀 镀在第一光纤腰锥放大（2)和第二光纤腰锥放大（4)中间光纤区域的侧表面上，形成氧化 石墨烯/聚乙烯醇复合膜（3);氧化石墨烯/聚乙烯醇复合膜⑶的厚度为200~500nm ; 第一光纤腰锥放大（2)左端与宽带光源（1)连接，第一光纤腰锥放大（2)右端与第二光纤 腰锥放大（4)左端连接，第二光纤腰锥放大（4)右端与光谱分析仪（5)连接。
[0007] 所述的基于氧化石墨烯/聚乙烯醇复合膜的光纤湿度传感器，其特征在于：第一 光纤腰锥放大（2)和第二光纤腰锥放大（4)之间的距离为10~30mm。
[0008] 所述的基于氧化石墨烯/聚乙烯醇复合膜的光纤湿度传感器，其特征在于：第一 光纤腰锥放大（2)和第二光纤腰锥放大（4)长度为150~200 μ m，直径为150~190 μ m。
[0009] 所述的基于氧化石墨烯/聚乙烯醇复合膜的光纤湿度传感器，其特征在于：选用 氧化石墨烯/聚乙烯醇复合材料制成湿度敏感膜。
[0010] 本发明的工作原理是：
[0011] 入射光在经过光纤腰锥放大（2)时，部分在光纤纤芯中传播的光会被耦合到光纤 包层中，激发出在包层中传播的包层模，剩余的光将作为纤芯模继续沿纤芯向前传播；光纤 腰锥放大（4)可以将包层中传播的部分包层模重新耦合到纤芯中，从而与纤芯模形成MZI。 MZI两个干涉臂的物理长度相同，但由于包层和纤芯的有效折射率不一样，从而形成光程 差。纤芯模和包层模满足的相位匹配条件表达式为：
[0013] 其中
分别表示纤芯有效折射率和第i个包层模的有效折射率，λ为 入射光波长，d为光纤腰锥放大（2)和光纤腰锥放大（4)之间的距离，表示纤芯有效折 射率和第i个包层模的有效折射率的差值。当外界环境变化时，例如折射率变化，将会引起 变化，由此，通过监测相位差值的变化，再和开始标定的量对比，就可以测得当前折射 率的值。
[0014] 本发明采用的是氧化石墨烯/聚乙烯醇复合膜，氧化石墨烯和聚乙烯醇都属于对 湿度变化敏感的材料。氧化石墨烯/聚乙烯醇复合膜，其表面及边缘存在大量的含氧极性 基团，因此，该复合材料同样对湿度变化敏感。氧化石墨烯/聚乙烯醇复合膜吸收水分子会 膨胀，干燥则会消溶胀，相应的折射率也会发生变化。当该复合膜被镀在光纤传感器的表面 时，该材料的折射率的变化量将会作用在马赫-曾德尔干涉型光纤传感器的传感臂上，通 过监测透射干涉条纹的变化，可以得到折射率的改变量，从而达到探测外界湿度的变化。
[0015] 本发明的有益效果是：氧化石墨烯和聚乙烯醇两者本身都是湿度敏感膜，本发明 提出将这两种材料混合，制成一种新型的氧化石墨烯/聚乙烯醇复合薄膜，该薄膜的湿度 敏感性将显著提高。同时，结合马赫-曾德尔干涉型光纤传感器技术，大大提升了该湿度传 感器的灵敏度。制成的光纤湿度传感器结构也更加紧凑。
【附图说明】
[0016] 图1是本发明的基于氧化石墨烯/聚乙烯醇复合膜的光纤湿度传感器特征装置示 意图；
[0017] 图2是本发明的光纤湿度传感器处于不同湿度下的干涉光谱变化实验图；
[0018] 图3是本发明的湿度灵敏度拟合曲线图
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图及实施实例对发明作进一步描述：
[0020] 参见附图1，基于氧化石墨烯/聚乙烯醇复合膜的光纤湿度传感器，其特征在于： 由宽带光源（1)、第一光纤腰锥放大（2)、氧化石墨烯/聚乙烯醇复合膜（3)、第二光纤腰锥 放大（4)和光谱分析仪（5)组成；氧化石墨烯/聚乙烯醇复合膜经过干燥处理，均匀镀在第 一光纤腰锥放大（2)和第二光纤腰锥放大（4)中间光纤区域的侧表面上，形成氧化石墨烯 /聚乙烯醇复合膜（3);氧化石墨烯/聚乙烯醇复合膜（3)的厚度为200~500nm ;第一光 纤腰锥放大（2)左端与宽带光源（1)连接，第一光纤腰锥放大（2)右端与第二光纤腰锥放 大（4)左端连接，第二光纤腰锥放大（4)右端与光谱分析仪（5)连接。
[0021] 光纤腰锥放大（2)和⑷都是采用型号为=Fujikura FSM-60S的光纤熔接机制 作，程序设置利用的是光纤熔接机的特殊功能，通过控制电弧放电功率，放电次数和放电时 间来控制形成的光纤腰锥放大（2)和（4)的直径和长度。
[0022] 将第一光纤腰锥放大（2)和第二光纤腰锥放大（4)的中间区域浸没在氧化石墨烯 /聚乙烯醇混合溶液中2小时，然后取出并置于室温下自然干燥48小时，从而形成氧化石墨 烯/聚乙烯醇复合膜（4)。图2为室温条件下湿度变化范围为30%~75%情况下的干涉光 谱变化实验图，随着实验湿度逐渐增大，对应的干涉光谱的干涉强度发生变化，干涉强度逐 渐减小。图3是本发明的位于1531nm波长处的干涉峰，其强度变化随湿度变化的拟合曲线 图，该传感器的灵敏度为0. 193dB/RH。
【主权项】
1. 基于氧化石墨烯/聚乙烯醇复合膜的光纤湿度传感器，其特征在于：由宽带光源 (1) 、第一光纤腰锥放大（2)、氧化石墨烯/聚乙烯醇复合膜（3)、第二光纤腰锥放大（4)和 光谱分析仪（5)组成；氧化石墨烯/聚乙烯醇复合膜经过干燥处理，均匀镀在第一光纤腰锥 放大（2)和第二光纤腰锥放大（4)中间光纤区域的侧表面上，形成氧化石墨烯/聚乙烯醇 复合膜（3);氧化石墨烯/聚乙烯醇复合膜（3)的厚度为200~500nm;第一光纤腰锥放大 (2) 左端与宽带光源（1)连接，第一光纤腰锥放大（2)右端与第二光纤腰锥放大（4)左端连 接，第二光纤腰锥放大（4)右端与光谱分析仪（5)连接。2. 所述的基于氧化石墨烯/聚乙烯醇复合膜的光纤湿度传感器，其特征在于：第一光 纤腰锥放大（2)和第二光纤腰锥放大（4)长度为150~200μm，直径为150~190μm。3. 根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯/聚乙烯醇复合膜的光纤湿度传感器，其特 征在于：第一光纤腰锥放大（2)和第二光纤腰锥放大（4)之间的距离为10~30mm。4. 根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯/聚乙烯醇复合膜的光纤湿度传感器，其特 征在于：选用氧化石墨烯/聚乙烯醇复合材料制成湿度敏感膜。
【专利摘要】本发明将经过干燥处理的氧化石墨烯/聚乙烯醇混合溶液均匀的镀在马赫-曾德尔干涉型光纤传感器的侧表面，从而形成一种新型的镀有氧化石墨烯/聚乙烯醇复合薄膜的光纤湿度传感器，属于光纤传感技术领域。氧化石墨烯/聚乙烯醇复合薄膜具有吸湿膨胀和干燥消溶胀的特性，相应的薄膜折射率也会发生变化，结合马赫-曾德尔干涉型光纤传感器具有高灵敏度和分辨率的特性，制作成基于氧化石墨烯/聚乙烯醇复合膜的光纤湿度传感器。该传感器具有结构紧凑、制作技术简易，灵敏度高等优点。
【IPC分类】G01N21/45
【公开号】CN105300927
【申请号】CN201510694866
【发明人】王友清, 沈常宇, 楼伟民, 申屠锋营, 刘桦楠, 魏健
【申请人】中国计量学院
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年10月22日