專利名稱：一種基于多模干涉sms光纖結(jié)構(gòu)的濕度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于多模干涉SMS光纖結(jié)構(gòu)的 濕度傳感器。
背景技術(shù)：
濕度是表示空氣中水汽含量的物理量。隨著工農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷 進(jìn)步，對(duì)環(huán)境濕度的監(jiān)測(cè)越來越受到人們的重視，對(duì)濕度傳感器的環(huán)境適應(yīng)性以及測(cè)量范 圍、響應(yīng)速度、測(cè)量精度等主要指標(biāo)的要求也越來越高。國防科技、航空航天、發(fā)電變電、紡 織、食品、醫(yī)藥、倉儲(chǔ)、農(nóng)業(yè)等行業(yè)對(duì)濕度的要求都非常嚴(yán)格，對(duì)濕度參量進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)監(jiān) 測(cè)和控制，已成為正常生產(chǎn)的前提。早期發(fā)明的干濕球濕度計(jì)和毛發(fā)濕度計(jì)，由于其測(cè)量精 度低、響應(yīng)速度慢、信號(hào)處理和控制困難等缺點(diǎn)，其應(yīng)用范圍非常有限?，F(xiàn)有的濕度傳感器 中，電容式、電阻式等電量濕度傳感器，由于測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快以及信號(hào)易于處理和 控制等優(yōu)勢(shì)，在市場(chǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位，但其存在著長期穩(wěn)定性和互換性差的不足以及濕滯、 漂移、抗干擾能力差等缺點(diǎn)，在核工業(yè)、電力傳輸?shù)阮I(lǐng)域受到限制，因此也無法滿足現(xiàn)代科 學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要。光纖傳感器具有抗電磁干擾、靈敏度高、體積小、抗腐蝕等特點(diǎn)，屬于非接觸、非破 壞性測(cè)量。將光纖傳感技術(shù)與濕度測(cè)量相結(jié)合，大大拓寬了濕度傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。光纖 濕度傳感器相對(duì)于傳統(tǒng)濕度傳感器具有許多優(yōu)勢(shì)，如制作工藝簡(jiǎn)單、體積小、穩(wěn)定性好、抗 腐蝕、不受電磁干擾，適用于各種惡劣的環(huán)境等。目前基于光纖的各種濕度傳感器已得到廣 泛研究，如基于布拉格光纖光柵(FBG)的濕度傳感器，基于長周期光纖光柵(LPG)的濕度傳 感器以及基于新型光子晶體光纖(PCF)的濕度傳感器。新型光子晶體光纖較普通光纖相比 價(jià)格昂貴，并且需要特殊的熔接儀器，因此大大增加了生產(chǎn)成本。

實(shí)用新型內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本實(shí)用新型的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度 高、成本低廉的基于多模干涉SMS光纖結(jié)構(gòu)的光纖濕度傳感器。所述的一種基于多模干涉SMS光纖結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，其特征在于包括寬帶光 源、入射單模光纖、多模光纖纖芯、濕度敏感材料、出射單模光纖、光譜儀，所述的入射單模 光纖一端連接寬帶光源，另一端與多模光纖纖芯的一端無偏心熔接，多模光纖纖芯的另一 端與出射單模光纖的一端無偏心熔接，出射單模光纖的另一端連接光譜儀，所述的濕度敏 感材料涂覆在多模光纖纖芯的表面。所述的一種基于多模干涉SMS光纖結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，其特征在于所述的入射單 模光纖和出射單模光纖的纖芯直徑為8. 2Mm，包層直徑為125ΜΠ1。所述的一種基于多模干涉SMS光纖結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，其特征在于所述的多模光 纖纖芯的直徑為80 -100 Mm。所述的一種基于多模干涉SMS光纖結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，其特征在于所述的多模光纖纖芯的直徑為90 μ m,長度為40mm。所述的一種基于多模干涉SMS光纖結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，其特征在于所述的多模光 纖纖芯是由纖芯直徑105Mm、包層直徑125ΜΠ1的多模光纖通過化學(xué)腐蝕得到的。所述的一種基于多模干涉SMS光纖結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，其特征在于所述的濕度敏 感材料是通過溶膠-凝膠法配置的水凝膠，該材料的折射率隨外界濕度變化而變化。本實(shí)用新型的有益效果利用光纖傳輸，使?jié)穸葌鞲衅骶哂锌闺姶鸥蓴_性等特點(diǎn)， 有很高的可靠性和穩(wěn)定性；僅使用單模光纖、多模光纖和濕度敏感材料作為傳感部分，使傳 感器結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單，體積小，成本低；由于多模光纖具有可傳導(dǎo)多種模式光的屬性，在多模 光纖纖芯中多種模式的光發(fā)生干涉，從而大大提高了檢測(cè)精度。

圖1是本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合說明書附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明本實(shí)用新型是基于多模干涉原理的單模-多模-單模光纖結(jié)構(gòu)(SMS光纖結(jié)構(gòu))的 濕度傳感器，采用普通的單模光纖與多模光纖熔接制得，在多模光纖纖芯表面涂覆一層濕 度敏感材料來實(shí)現(xiàn)濕度傳感。如圖所示，一種基于多模干涉SMS光纖結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，包括寬帶光源1、入射 單模光纖2、多模光纖纖芯3、濕度敏感材料4、出射單模光纖5、光譜儀6，所述的入射單模光 纖2 —端連接寬帶光源1，另一端與多模光纖纖芯3的一端無偏心熔接，多模光纖纖芯3的 另一端與出射單模光纖5的一端無偏心熔接，出射單模光纖5的另一端連接光譜儀6，所述 的濕度敏感材料4涂覆在多模光纖纖芯3的表面。所述的多模光纖纖芯3的直徑為90 μ m, 是由纖芯直徑105Mm、包層直徑125ΜΠ1的多模光纖通過化學(xué)腐蝕得到的；濕度敏感材料4是 通過溶膠-凝膠法配置的水凝膠，該材料的折射率隨外界濕度變化而變化。首先將纖芯直徑105 Mm、包層直徑125 Mm的多模光纖通過化學(xué)腐蝕得到直徑 為80-100 Mm的多模光纖纖芯，利用光纖熔接設(shè)備將單模光纖和多模光纖纖芯進(jìn)行無偏心 熔接，其中多模光纖纖芯一端連接入射單模光纖，另外一端與出射單模光纖連接，在多模光 纖纖芯表面涂上一層濕度敏感材料，入射單模光纖與光源相連接，出射單模光纖與光譜儀 相連接，形成濕度傳感裝置。制作過程比較簡(jiǎn)單，并且可以通過普通的光纖熔接設(shè)備和工具 來完成。本實(shí)用新型所述濕度傳感器的工作方式為光源發(fā)出的光傳入到入射單模光纖 中，在接近多模光纖纖芯前端面，其光場(chǎng)分布接近高斯分布，作為多模光纖纖芯的入射場(chǎng)， 當(dāng)光束在多模光纖纖芯傳輸時(shí)，多模光纖纖芯中的高階本征模(LPtlm)被激勵(lì)，不同模式的光 在多模光纖中相互耦合。由于不同階數(shù)的導(dǎo)模的模場(chǎng)分布的差異導(dǎo)致它們向輸出單模光纖 基模耦合系數(shù)不同，以至于只有少數(shù)的導(dǎo)模被有效地耦合到出射單模光纖的纖芯中，其他 模式將耦合到出射單模光纖的包層中，最終被損耗掉。因此當(dāng)周圍環(huán)境濕度發(fā)生變化時(shí)，濕 度敏感材料折射率會(huì)相應(yīng)改變，從而導(dǎo)致耦合到輸出單模光纖纖芯中的導(dǎo)模發(fā)生變化，最 終使得輸出的傳輸光譜不同。利用光譜儀檢測(cè)傳輸光譜的干涉峰移動(dòng)，即可得到周圍環(huán)境的濕度大小。本實(shí)用新型能夠?qū)崿F(xiàn)濕度測(cè)量的關(guān)鍵為通過化學(xué)腐蝕得到直徑80 -100 Mffl的 多模光纖纖芯，并且在多模光纖纖芯的表面涂覆高分子濕敏材料。將多模光纖纖芯與兩 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單模光纖進(jìn)行無偏心熔接，外部折射率變化范圍從1. 35到1. 44，折射率靈敏度為 5.3X10—5 RIU，具有高靈敏度的特性。本實(shí)施例中選用的單模光纖纖芯直徑為8. 2Mm，包層直徑為125Mm，多模光纖纖芯 直徑為90Mm，長度為40mm。濕度敏感型材料為溶膠-凝膠法配置的水凝膠，在相對(duì)濕度從 0到100% RH變化過程中，濕度敏感材料的折射率亦相應(yīng)地從1. 367增大到1. 431，總的變 化量達(dá)到0. 064，呈現(xiàn)出良好的濕敏特性。
權(quán)利要求1.一種基于多模干涉SMS光纖結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，其特征在于包括寬帶光源(1)、入射 單模光纖(2)、多模光纖纖芯(3)、濕度敏感材料(4)、出射單模光纖(5)、光譜儀(6)，所述的 入射單模光纖(2)—端連接寬帶光源(1)，另一端與多模光纖纖芯(3)的一端無偏心熔接， 多模光纖纖芯(3)的另一端與出射單模光纖(5)的一端無偏心熔接，出射單模光纖(5)的另 一端連接光譜儀(6)，所述的濕度敏感材料(4)涂覆在多模光纖纖芯(3)的表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多模干涉SMS光纖結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，其特征在于 所述的入射單模光纖(2)和出射單模光纖(5)的纖芯直徑為8. 2Mm，包層直徑為125ΜΠ1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多模干涉SMS光纖結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，其特征在于 所述的多模光纖纖芯(3)的直徑為80 -100 Mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多模干涉SMS光纖結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，其特征在于 所述的多模光纖纖芯(3)的直徑為90μπι，長度為40mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3或4所述的一種基于多模干涉SMS光纖結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，其 特征在于所述的多模光纖纖芯(3)是由纖芯直徑105μπκ包層直徑125ΜΠ1的多模光纖通過化 學(xué)腐蝕得到的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多模干涉SMS光纖結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，其特征在于 所述的濕度敏感材料(4)是通過溶膠-凝膠法配置的水凝膠，該材料的折射率隨外界濕度 變化而變化。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于多模干涉的SMS光纖結(jié)構(gòu)的濕度傳感器。傳統(tǒng)的濕度傳感器具有測(cè)量精度低、響應(yīng)速度慢、信號(hào)處理和控制困難、長期穩(wěn)定性和互換性差以及濕滯、漂移、抗干擾能力差等缺點(diǎn)，在核工業(yè)、電力傳輸?shù)阮I(lǐng)域受到限制，無法滿足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要。本實(shí)用新型中多模光纖纖芯兩端分別與入射單模光纖和出射單模光纖無偏心熔接，用濕度敏感材料涂覆在多模光纖纖芯表面，入射單模光纖與寬帶光源連接，出射單模光纖與光譜儀連接，形成濕度傳感裝置。本實(shí)用新型傳感器的體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾，靈敏度高，降低了光纖傳感器的成本，在化學(xué)和生物領(lǐng)域有比較大的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G02B6/02GK201859117SQ20102061796
公開日2011年6月8日 申請(qǐng)日期2010年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月22日
發(fā)明者徐茜茜, 王劍峰, 趙宇, 金永興, 龔華平 申請(qǐng)人:中國計(jì)量學(xué)院