一种基于甲基纤维素修饰的光子晶体光纤湿度测量传感器的制作方法

本发明提供了一种基于甲基纤维素修饰的光子晶体光纤湿度测量传感器，属于光纤传感领域。

背景技术：

光纤传感器已经被广泛的应用到光传感技术领域，例如温度、应力、折射率和湿度等领域。近年来基于马赫-曾德的湿度传感器已经提出很多。研究者通过改变结构和湿敏膜来提高湿度传感器的灵敏度。很多湿敏膜包括水凝胶，金属氧化膜，聚合物矩阵等。然而在制作的过程中总是遇到一些问题，例如结构制作复杂，柔韧性差，成本高。对于制备湿敏膜来说，一些湿敏膜具有毒性，溶解困难，或很难修饰在光纤上。因此提出一种柔韧性好的结构和制备简单的湿敏膜具有重要的研究价值和良好的应用前景。

全光纤的马赫-曾德干涉仪具有灵敏度高，制作简单，成本低、结构微小等优点。可用于折射率、温度、湿度等参量的测量。因此一种成本低廉，制作简单可以测量湿度的新型光纤传感器被提出。该传感器由一个短的光子晶体光纤通过坍塌熔接拼接两标准单模光纤之间形成一个mzi(mach-zehnderinterferometer)，并在光子晶体光纤表面涂敷甲基纤维素膜。该传感器通过改变湿度对波长和强度具有不同的响应灵敏度。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于甲基纤维素修饰的光子晶体光纤湿度测量传感器。该传感器可以通过强度解调和波长解调实现对湿度的测量，并且具有结构紧凑微小，成本低等优点。

本发明通过以下技术实现：

一种基于甲基纤维素修饰的光子晶体光纤湿度测量传感器，其特征在于：由入射光纤(1)、第一个坍塌空气孔结构(2)、甲基纤维素膜(3)、光子晶体光纤(4)、第二个坍塌空气孔结构(5)、出射光纤(6)组成；甲基纤维素膜(3)、光子晶体光纤(4)、第一个坍塌空气孔结构(2)和第二个坍塌空气孔(5)构成全光纤马赫-曾德干涉仪。

一种基于甲基纤维素修饰的光子晶体光纤湿度测量传感器，其特征在于：入射光纤(1)、出射光纤(6)均可采用g.652单模光纤，光子晶体光纤(4)、第一个坍塌空气孔结构(2)、第二个坍塌空气孔结构(5)均采用单模光子晶体光纤(lma-10，nktphoto-nics)。

一种基于甲基纤维素修饰的光子晶体光纤湿度测量传感器，其特征在于：第一个坍塌空气孔结构(2)、第二个坍塌空气孔结构(5)长度d均为108.00μm，光子晶体光纤(4)长度l为51.00mm，甲基纤维素膜(3)厚度dt为2.20μm。

本发明的工作原理为：

光纤传感器结构由一个短的表面涂敷甲基纤维素膜的光子晶体光纤通过坍塌熔接拼接两标准单模光纤之间组成，在输入光纤中传输的光经过第一个倒塌的空气孔结构，单模光纤中的光进入包层，包层模式将激发并传播在光子晶体光纤包层区域，当光子晶体光纤的包层的光达到湿敏膜区域，湿敏膜结构可以提高传输光的倏逝场穿透深度范围，使得在传输区域传输的光更易受到外界环境的影响，有效地提高测量灵敏度，当两束光到达第二个坍塌空气孔结构时，此时第二个坍塌空气孔结构起到耦合器的作用，使得包层中传输的光进入纤芯与纤芯中传输的光发生干涉。即在光谱仪上显示干涉光谱，其干涉光强度分布的公式为：

其中icore和icladding分别为在纤芯与在包层中传输的光的光强，φ0是初始相位，φ是纤芯模与包层模的相位差。其中δneff是纤芯与包层之间的有效折射率差，λ为工作波长，l是干涉长度。当相位差φ＝(2m+1)π时，m＝0，1，2，3，...，就会产生强度最低时的波长，其表达式为

随着外界湿度的变化，涂敷在光纤端面的甲基纤维素膜会吸收外界环境中的水分子，使湿敏膜膨胀从而改变它的折射率，使得δneff发生变化，因为外界环境的改变不会影响纤芯的有效折射率，而会直接影响包层的有效折射率，这说明λm随着外界湿度的变化而变化。因此可通过监测波长变化测量湿度的变化。同时随着湿度的变化，有效折射率差δneff影响相位差φ的变化，由干涉光强度分布的公式可知φ影响了光强i的变化，因此可以通过光强强度的变化来监测外界湿度的变化。

附图说明

图1是本发明的一种基于甲基纤维素修饰的光子晶体光纤湿度测量传感器结构示意图

图2是本发明的随着外界环境湿度的变化的透射光谱实验图

图3是本发明的随着外界环境湿度的变化干涉谱的波长的变化实验图

图4是本发明的随着外界环境湿度的变化干涉谱的强度的变化实验图

具体实施方式

图1为一种基于甲基纤维素修饰的光子晶体光纤湿度测量传感器结构示意图，在湿度测量实验中，将传感头放入一个封闭的湿度箱内，湿度箱的温度保持在室温条件下，传感器一端连接光谱仪，一端连接宽带光源。为了测量该传感头对湿度的响应变化，通过向里面泵入干燥和湿润的气体来控制湿度箱内湿度，同时湿度箱内的湿度计来监测湿度箱内湿度变化。其中干燥的气体是高浓度的干燥的氮气，湿润的气体是通过将干燥的气体泵入到去离子水中再将其通入到湿度箱内。实验过程中湿度检测范围30％rh(relativehumidity)-85％rh。通过光谱仪可以观察随着湿度箱内湿度的改变干涉光谱的变化。

在光子晶体光纤镀膜过程中了首先将光纤端面侵入浓度为98％浓硫酸与浓度为30％双氧水的混合溶液中(piranha溶液∶体积比为7∶3)持续60min，将去除光学表面的残留有机物，然后用去离子水充分洗净，再用高纯度的氮气吹干。然后将光纤结构固定在浸涂镀膜机上，下降速度为30mm/s将干燥后的光纤端面侵入甲基纤维素膜，缓慢取出，在空气中静置整夜，确保光纤端面的湿敏膜均匀即可。

在湿度实验中，将传感器的两端固定。湿度的变化范围为30％rh-85％rh，监测随着湿度的变化光谱的变化。可以发现在光谱仪上监测到dip-a波长移动超过9.00nm，dip-b强度变化接近10.00db。图2为不同湿度下dip-a和dip-b的光谱变化图。dip-a的波长漂移量与湿度的关系如图3所示，灵敏度为0.58nm/rh。dip-b的波长漂移量与湿度的关系如图4所示，灵敏度为-0.61db/rh。

技术特征：

技术总结
一种基于甲基纤维素修饰的光子晶体光纤湿度测量传感器，其特征在于：由入射光纤(1)、第一个坍塌空气孔结构(2)、甲基纤维素膜(3)、光子晶体光纤(4)、第二个坍塌空气孔结构(5)、出射光纤(6)组成；甲基纤维素膜(3)、光子晶体光纤(4)、第一个坍塌空气孔结构(2)、第二个坍塌空气孔结构(5)构成全光纤马赫‑曾德干涉仪。第一个坍塌空气孔结构(2)和第二个坍塌空气孔结构(5)用来激发高阶包层模，甲基纤维素膜(3)用来扩大倏逝场的范围。本发明具有灵敏度高，制作简单，成本低等优点，在湿度30％RH(Relative Humidity)‑‑85％RH的测量范围内，波长发生红移，移动超过9.00nm，波长解调灵敏度为0.58nm/RH。强度变化接近10.00dB，强度解调灵敏度为‑0.61dB/RH，该传感器可以通过强度解调及波长解调实现湿度的测量，并且结构紧凑微小，可适用于多领域实现湿度参量的测量。

技术研发人员：倪凯;王博文;王飘飘
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：2017.06.19
技术公布日：2017.09.01