一种基于全琼脂F‑P腔的超高灵敏度的光纤湿度传感器的制作方法

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种超高灵敏度的光纤湿度传感器。

背景技术：

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CN 101776493A)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(“Enhancing the humidity response time of polymer optical fiber Bragg grating by using laser micromachining”,Optics Express,2015,23(20):25942-25949)，其传感器灵敏度为0.06nm/％RH；非专利文献2(“Chitosan based fiber-optic Fabry-Perot humidity sensor”，Sensors&Actuators B Chemical，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。

技术实现要素：

本发明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，本发明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。

本发明的有益效果是：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。这种设计使得本发明具有以下优势：

(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，本发明还具有结构紧凑，易封装，响应时间短等优点。

附图说明

图1是本发明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是利用本发明的光纤湿度传感器对环境湿度的检测系统示意图；

图4是本发明传感器典型反射光谱(环境湿度为13.0％RH)；

图5(a)是本发明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)是本发明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发明作进一步详细说明。

如附图1所示，本发明的基于全琼脂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：

$\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Δ}RH}=\mathrm{\λ}(\frac{1}{n}\frac{dn}{dRH}+\frac{1}{L}\frac{dL}{dRH})---\left(1\right)$

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。

本发明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。

本发明的基于全琼脂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。本发明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，本发明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℃条件下测量的本发明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108.75nm。分别测试湿度上升级下降过程的反射光谱，由10％RH变化到70％RH，湿度变化梯度为5％RH。附图5(a)以13.0％RH、31.2％RH、46.6％RH和64.0％RH为例，可见当湿度增加时光谱向长波方向漂移。附图5(b)根据波谷所在位置绘制拟合直线，可得到传感器的灵敏度高达4.10nm/％RH。远高于同类传感器，例如2015年X.F.Chen课题组的0.06nm/％RH,2012年L.H.Chen课题组的0.13nm/％RH(参见背景技术中的非专利文献1和非专利文献2)。

综上所述，不同于以往利用湿度敏感材料作为媒介，本发明直接将一层敏感材料薄膜作为F-P腔，是国内外首创。首先，从结构上优化了对敏感材料的利用，既利用了折射率的改变又利用了体积的改变，致使获得更高的灵敏度成为了可能。本发明的灵敏度高达4.10nm/％RH，是X.F.Chen课题组的0.06nm/％RH的68.3倍,L.H.Chen课题组的0.13nm/％RH的31.5倍。其次，首创的用琼脂镀膜形成F-P腔的方法使得腔长足够短，超短腔长带来超高的灵敏度，本发明的腔长只有6.66um以获得4.10nm/％RH的超高灵敏度。而且，超短的腔长使得本发明的响应时间超短，当湿度从17.2％RH变化13.0％RH时只有810ms。再次，本发明由普通单模光纤和琼脂构成，不需要其他材料；镀膜工艺极其简单，不需要额外复杂昂贵的工具，使得本发明制备简单，成本低廉，极具市场前景。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。